浅埋卵石土层隧道施工方法分析*

邓祥辉，刘锦涛，龙 凯，王 睿

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安710021；2.中国水电建设集团十五工程局有限公司，西安710075)

卵石土层隧道土层黏聚力较差，在浅埋段开挖时，极易出现拱部掉块、掌子面失稳，甚至局部坍塌等工程事故。所以卵石土层隧道在施工中，施工工法和超前加固措施的选择就显得十分重要。因此，在卵石土层隧道施工中，结合工程实际与经济效益，选用合适的施工工法和超前加固措施，往往可以达到事半功倍的效果。

对于浅埋卵石隧道，国内外众多学者针对隧道施工技术、施工工法与施工变形控制措施等方面进行了研究[1-2]。在施工技术方面，文献[3]通过对砂卵石地层进行自进式锚杆加固，有效控制了建筑物的沉降。文献[4]对成都市北延线富水砂卵石隧道进行了研究，得出在该类型的隧道中的关键技术为施工降水与注浆加固。文献[5]在研究砂卵石浅埋隧道的快速施工技术时，提出了“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则。文献[6]以北京地下直径线富水砂卵层隧道为工程依托，采用了洞桩法与交叉中隔壁法(Cross Diaphragm,CRD)相结合的施工方法，其控制地表沉降的效果较为明显。在施工工法数值模拟方面，文献[7-8]以某下穿既有公路的超浅埋大跨隧道为工程依托，结合数值模拟的方法，对CRD法与双侧壁导坑法进行了研究，认为该类工程CRD法优于双侧壁导坑法。文献[9-10]以成都一号线某浅埋卵石试验段为工程背景，采用数值模拟对比分析了中隔壁法(Center Diaphragm,CD)与台阶法的隧道变形，结果显示CD法在控制地表沉降与隧道变形方面都优于台阶法。文献[11-12]对大跨度浅埋软弱围岩隧道进行了研究，分析了双侧壁导坑法与微台阶预留核心土法对隧道开挖的影响，得出微台阶预留核心土法在施工进度，资源利用，造价及工序转化方面占有优势，但在控制变形方面双侧壁导坑法明显优于微台阶法。文献[13]对台阶法进行了详细的研究，得出了合理减小台阶法开挖长度，能有效减小隧道开挖引起的地表沉降的结论。文献[14-15]采用ANSYS有限元分析软件对西成铁路客运专线隧道开挖的施工工法进行了数值模拟，得到双侧壁导坑法施工的安全性高于台阶法施工的结论。

上述学者对卵石隧道的施工工法进行了深入研究，但对于卵石隧道在浅埋段的开挖与超前加固措施相结合的研究较少，需要进一步深入研究。本文将以青海省石羊岭隧道为工程背景，利用数值模拟方法，对卵石浅埋段采用4种不同施工工法进行比较，并选出合适的施工方法和超前支护措施，以期为类似工程提供借鉴和指导。

1 工程概况

石羊岭隧道位于青海省互助土族自治县，左、右线隧道长度分别为1 822 m和1 796 m，其中左线ZK0+975至ZK1+150段、右线YK0+965至YK1+155段穿越卵石土层，其围岩等级划分为V级，且为浅埋隧道。由于在隧道开挖过程中，易出现掌子面失稳，拱顶掉块等现象，所以在施工中采取了超前小导管与地表注浆共同加固的方法，在后述模型建立过程中统一采用超前小导管与地表注浆进行加固。

小导管采用外径42 mm，壁厚4.0 mm，长400 cm的热轧无缝钢花管。钢花管环向间距约40～50 cm，外插角控制在10～15°，设置于衬砌拱部约130°范围，具体布置如图1所示。

地表注浆范围内竖向加固范围为地表至设计高程以下3 m，横向加固范围为内轮廓左侧8 m至右侧8 m。地表注浆孔采用梅花形布置，布孔间距1.5 m×1.5 m，注浆时，先行钻孔，钻孔孔径不小于Φ110 mm，之后在孔内放入Φ50 mm×5 mm的钢管，注浆区段内钢管按15 cm间距，梅花形设置注浆孔。

2 不同施工工法比选

2.1 不同施工工法对比分析

对于浅埋卵石隧道，常用的施工工法有环形开挖预留核心土法，CD法，CRD法与双侧壁导坑法，不同工法的优劣对比见表1。

表1 不同施工工法对比

通过表1对比可得，以上4种工法都适用于围岩条件较差的隧道开挖，而环形开挖预留核心土法较其他3种工法，施工简便，成本较低；CD法、CRD法与双侧壁导坑法需要架设临时拱架，故控制隧道变形效果较好，而隧道在开挖结束后，临时支撑需全部拆除，导致这3种工法施工成本较高。

2.2 工法开挖顺序

隧道在进行超前支护后，进行开挖施工。四种施工工法施工开挖步骤如图2所示。

图2 四种工法开挖示意图

3 数值模拟对比分析

3.1 模型建立

本文模型均采用Midas GTS NX有限元处理软件进行分析，该模型取左线浅埋段ZK1+060至ZK1+120，共60 m，其中隧道上部为卵石土层，下部为片岩围岩。隧道的开挖仅对一定范围内的岩体造成扰动，一般为3～5倍的洞径，根据实际地质勘察结果，计算模型左右各取70 m，上部卵石土层取20 m，下部片岩岩层取75 m。以隧道断面横向为X轴，掘进方向为Y轴，纵向高度为Z轴。

卵石土层与片岩都选择均质，连续，各向同性的莫尔-库伦模型，锚杆则采用杆单元模型；且由于只模拟了浅埋段，其埋深较浅，故地应力计算时不考虑构造应力，只考虑自重应力；二次衬砌一般只用于安全储备，理论上是不受力的，故在模拟时不做考虑。隧道施工模型如图3所示。

图3 模型示意图

本文采用小导管与地表注浆共同作用作为超前加固方式，与该隧道实际采用的措施相同。在本文模型中，引入等效小导管加固区代替小导管与注浆共同作用，地表注浆效果以加固后的卵石土层进行替代；对于初期支护，用等效喷混来替代拱架、喷射混凝土等共同作用，具体参数经现场试验反分析得出。为保证模拟结果具有对比性，四种工法的模拟参数见表2。

表2 数值模拟参数

3.2 模型计算结果对比分析

本文主要从位移与拉应力进行分析，包括Z向位移(拱顶沉降)、X向位移(周边收敛)与初支的最大拉应力。

3.2.1 Z向位移结果分析

取各工法最后一个施工阶段，其表示隧道开挖结束后的最终累计沉降量，Z向位移结果如图4所示。由图4可知，在围岩条件与支护参数相同的情况下，环形开挖预留核心土法Z向位移为19.29 mm，CD法为17.74 mm，CRD法为16.75 mm，双侧壁导坑为10.51 mm。模拟结果表明在控制竖向位移变形时，双侧壁导坑法效果最好，CRD与CD法次之，环形开挖预留核心土法较差。

图4 四种工法Z向位移云图Fig.4 Z-direction displacement nephogram of four construction methods

累计沉降变形趋势分析如图5所示，四种工法中除环形开挖预留核心土法外，其余三种工法在施工中都需要进行临时支撑的拆除，故模拟施工步骤较多。图5中累计沉降指拱顶沉降的累计值，其变形都显示出“先急后缓”的趋势。但值得注意的是CD法、CRD法与双侧壁导坑法在30步左右出现了较大的变形，是由于模拟过程中为了保证施工的安全，在30步左右拆除临时支撑，说明拆除临时支撑对该三种工法的影响较大，这一点在施工中需多加注意，加强该段施工的监控量测，以保证施工安全。

图5 沉降趋势图

3.2.2 X向位移分析

与竖向位移相同，取每种工法最后一个施工阶段，横向位移结果如图6所示。模拟结果显示，环形开挖预留核心土法横向位移为9.7 mm，CD法为9.6 mm，CRD法为9.2 mm，双侧壁导坑法为8.8 mm。可以得出在控制隧道开挖的横向位移时，双侧壁导坑法与CRD法效果最为明显，预留核心土与CD法相差不大。分析原因得出在四种工法中只有双侧壁导坑法与CRD法在模拟时施作了临时仰拱，可以得出施作临时仰拱对控制隧道周边收敛效果较好。

图6 四种工法X向位移云图

3.2.3 最大拉应力对比

图7为四种工法初支最大拉应力云图，隧道在开挖过程中，围岩会出现应力释放现象，从而导致隧道围岩产生变形，而变形位移会作用在初期支护上，使之产生拉应力。

从图7中可见，环形开挖预留核心土法最大拉应力为0.953 367 MPa，双侧壁导坑法最大拉应力为0.942 308 MPa。CD法和CRD法分别为0.953 255 MPa和0.945 396 MPa。从拉应力数值看，四种工法的最大拉应力均满足规范要求(规范规定C25喷射混凝土的抗拉极限强度为2.0 MPa，抗拉设计强度为1.3 MPa)。四种施工工法中，预留核心土开挖法的最大拉应力略大于其他三种工法。主要原因在于该法在施工中不能尽快的封闭成环，且无临时支撑分担围岩释放应力，因此该工法在控制隧道变形时数值稍大。

图7 四种工法最大拉应力云图

4 结 论

在浅埋卵石土层中，施工工法和超前支护措施的选择非常重要。本文以石羊岭隧道浅埋段为工程依托，采用数值模拟分析方法对环形开挖预留核心土法、CD法、CRD法以及双侧壁导坑法进行了模拟和反分析，得到了以下主要结论：

1) 采用地表注浆与超前小导管的超前支护组合方式，上述四种施工工法在控制隧道结构变形与应力方面都可以满足《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)。

2) 从隧道变形结果分析，双侧壁导坑法效果最好，CD法与CRD法相差不大，预留核心土三台阶开挖法效果最差；从最大拉应力结果分析，环形开挖预留核心土法拉应力最大，CD法与CRD法次之，双侧壁导坑法数值最小。从隧道围岩变形和最大拉应力结果分析，四种工法选用顺序为双侧壁导坑法、CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法。

采用地表注浆与超前小导管的超前支护组合方式条件下，浅埋卵石土层隧道开挖后围岩的变形和结构的最大拉应力均较小，且满足规范要求，本文对环形开挖预留核心土法、CD法、CRD法与双侧壁导坑法进行了技术层面的定性和定量对比分析。但浅埋卵石土层隧道施工工法的选择不仅要考虑隧道施工的安全性，还要结合施工成本、施工工期以及施工队伍技术水平等因素，进行综合对比才能确定。