超大跨度公路隧道进洞方案研究

李合银，侯文明，张建刚，李 超

(1. 中交二公局第四工程有限公司，洛阳 471031； 2. 长安大学，西安 710064)

随着我国交通事业的快速发展，在新建公路及改扩建公路工程中，超大跨度隧道工程日益增多[1-4]。在隧道进洞施工时，洞口段围岩破碎，地质条件差，易发生变形与坍塌等工程病害[5-8]。超大跨度公路隧道因其开挖跨度大，断面形状更加扁平，在进洞时支护结构受力复杂，更易发生围岩失稳和衬砌结构开裂与破坏等问题[9-10]，同时由于多次爆破开挖对围岩造成频繁扰动，超大跨度隧道极易发生较大变形从而增加坍塌风险。因此，超大跨度隧道合理进洞方案的选取显得至关重要。目前国内已有的超大跨度公路隧道数量较少，对于超大跨度公路隧道的进洞方案还没有形成系统的技术标准[11-12]，且现行隧道设计施工技术规范没有给出单洞四车道公路隧道支护设计参数和施工措施的指导，可供参考的类似工程有限，故对超大跨度公路隧道进洞方案的研究十分必要。

以连霍高速公路(编号G30)新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程中的杏花村1号隧道项目为依托，结合地质情况、支护设计及开挖工法，通过数值模拟手段并利用现场监控量测数据，对超大跨度公路隧道进洞方案进行研究，从而确定超大跨度公路隧道合理进洞方案，并为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

杏花村1号隧道位于新疆乌鲁木齐市达坂城区白杨河右岸，是国内已建分离式双洞八车道公路隧道，于2020年6月正式通车。其最大开挖跨度为22.56 m，最大开挖高度为14.65 m，属于超大跨度隧道。杏花村1号隧道上行线长为940 m，下行线长为1 191 m，隧道设计参数如表1所示。

表1 隧道设计参数

1.1 洞口段地层岩性

隧道进口段坡体缓倾，坡面基岩直接出露，岩体表层风化严重，岩体破碎，风化层厚度为2～5 m，下覆中风化镶嵌基岩，无崩塌及滑坡现象；出口段坡面较陡，岩体层理清晰且表层风化严重，岩层呈中薄层状，中风化及微风化岩体呈中厚层状与块状，中风化及微风化岩层层间结合紧密，硅钙质填充较好，山坡岩体总体较完整，偶有掉块。坡面发育有几条小型汇流槽，并且有小型冲蚀现象。

1.2 洞口段衬砌类型

隧道洞口段衬砌类型分布如表2所示。

表2 隧道洞口段衬砌类型分布

在岩石强度及完整性系数的基础上，考虑围岩特征和环境等因素，为杏花村1号隧道围岩分级。根据不同围岩等级，选取不同支护参数的衬砌类型。杏花村1号隧道上行线进洞口段衬砌类型以S5a级为主，出洞口段围岩以S4a级为主，下行线进洞口段衬砌类型以S5a级为主，出洞口段围岩以S5b级为主。

2 进洞施工难点

(1) 该隧道最大开挖跨度达22.56 m，最大断面面积为264.09 m2，结构受力与普通隧道相比更为复杂，洞口段围岩主要为凝灰岩，揭露围岩节理较为发育，进洞施工安全风险大。

(2) 洞口埋深浅，施工质量标准高，施工组织复杂，工序转换频繁，施工难度大且工程进度缓慢。

3 进洞方案

3.1 施工工法的选取

通过对已建超大跨度公路隧道的施工工法调研，超大跨度公路隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩一般采用台阶法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)及双侧壁导坑法等施工工法。结合杏花村1号隧道洞口段围岩状况，同时考虑到多次爆破开挖对围岩造成的扰动，有发生较大变形和坍塌的风险。双侧壁导坑法能够将隧道大跨度开挖转换为多个小跨度开挖，且开挖后每个小部分各自闭合，能够较好地控制围岩变形，因此选用双侧壁导坑法开挖进洞，同时通过数值模拟的方法对选用双侧壁导坑法的安全性进行验证。

计算工况选取隧道Ⅴ级围岩浅埋及断层破碎带段受力最不利位置，根据地勘资料，Ⅴ级围岩浅埋及断层破碎带段最不利位置最大埋深约为68 m。

为简化计算过程，数值模拟给出的设定为：①所有材料均为均质、连续、各向同性；②围岩采用平面单元模拟，喷射混凝土、钢架和二次衬砌采用梁单元模拟；③围岩材料选用摩尔-库伦本构模型，支护结构材料采用线弹性本构模型；④不考虑空间效应，采用二维平面计算模型。

围岩物理力学参数如表3所示，临时支护及初期支护的物理力学和几何参数如表4所示。

表3 围岩物理力学参数

表4 临时支护及初期支护的物理力学和几何参数

根据最不利工况实际埋深及隧道结构尺寸，采用有限元数值分析软件midas GTS NX建立相应的数值模型，隧道洞口开挖数值模型如图1所示。

图1 隧道洞口开挖数值模型

由计算结果可知，双侧壁导坑法施工整体变形较小，最大变形出现在先行导坑临时支撑处，在拆除临时支撑前，临时支护最大变形为28 mm，临时支护拆除前支护结构变形矢量图如图2所示。初期支护最大变形主要位于拱顶和仰拱底部，表现为支护结构向隧道内部空间的收敛变形，初期支护在成环后拆除临时支护前的最大变形为12 mm。临时支护拆除后，初期支护收敛变形为23 mm，其值较拆除临时支撑前略有增加，临时支护拆除后支护结构变形矢量图如图3所示，最大变形位置主要出现在拱顶、仰拱底部以及原临时支撑与初期支护连接部位。

图2 临时支护拆除前支护结构变形矢量图

图3 临时支护拆除后支护结构变形矢量图

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》(JTG 3370.1—2018)中关于复合式衬砌初期支护允许洞周相对收敛值的规定，本计算段的允许拱顶相对下沉收敛值可采用0.3%进行控制，计算下沉值为23 mm，总高度为1 330 cm，相对下沉收敛值为0.17%。结果表明，采用双侧壁导坑法能有效控制沉降，支护结构下沉收敛值满足规范要求。

衬砌段开挖完成后会在洞周形成部分围岩塑性区，围岩塑性区如图4所示，塑性区主要集中于拱腰以及拱脚位置，因此在采用双侧壁导坑法开挖时，应加强监控量测，掌握合理的支护时间，做好超前支护，充分发挥超前支护对围岩的预加固作用，确保围岩在开挖过程中的安全与稳定。

图4 围岩塑性区

数值模拟计算结果表明：采用双侧壁导坑法能够将Ⅴ级围岩浅埋及断层破碎带段支护结构变形控制在规范允许限值内，确保整个施工过程的安全性，施工工法合理且可靠。

3.2 进洞控制措施与开挖方法

3.2.1 进洞控制措施

杏花村1号隧道上行线进洞口段围岩较破碎，该段为浅埋段，衬砌类型由S5a级向S5c级过渡，在S5a段先按设计要求施作超前大管棚，管棚施工完毕再采用超前小导管注浆加固洞周围岩，考虑到支护结构的整体性，超前小导管与管棚需超前搭接，实际搭接长度为5 m。进洞施工工法采用双侧壁导坑法，结合洞口段的不利地质条件，S5a段和S5b段采用双层初期支护对围岩进行支护，保证进洞的安全性，其他衬砌段采用单层初期支护；隧道上行线出洞口段揭露围岩为Ⅳ级，围岩条件较好，首先进行边仰坡和洞顶截水沟的施作，再按设计要求施工超前小导管，完成进洞准备。

杏花村1号隧道下行线进出洞口段均为Ⅴ级围岩，选用双侧壁导坑法开挖进洞，施工时辅以超前大管棚和超前小导管等对围岩进行支护。先施工大管棚，管棚施工完毕后设置超前小导管，超前小导管施工时搭接管棚距离为5 m。结合数值模拟计算结果和洞口实际围岩情况，隧道进洞控制措施及开挖工法如表5所示，洞口衬砌类型及参数如表6 所示。

表5 隧道进洞控制措施及开挖工法

表6 洞口衬砌类型及参数

3.2.2 开挖方法

杏花村1号隧道进出口段边坡较陡，区域岩石属于强风化凝灰岩，岩体表层风化严重，层间结合差，岩体较破碎，围岩条件差，进洞均采用双侧壁导坑法施工，双侧壁导坑法开挖示意如图5所示。为确保进洞阶段施工安全，双侧壁导坑法每循环进尺长度为1榀拱架间距，Ⅴ级围岩S5a、S5b和S5c型衬砌在导坑法施工过程中，导坑长度不得大于8 m，二衬与最远掌子面距离不宜大于55 m；S5d和S4a型衬砌在导坑法施工过程中，导坑长度不得大于12 m，二衬与最远掌子面距离不宜大于75 m。

图5 双侧壁导坑法开挖示意

4 监控量测分析

4.1 监控量测方案及内容

根据隧道的结构特点、施工工艺以及现场地质情况，确定监测项目和方法。采用国内较成熟的测试手段对隧道施工中的关键断面进行跟踪监测，初期支护测点布置如图6所示。

图6 初期支护测点布置

隧道初期支护的监测项目主要包括拱顶下沉和净空收敛，初期变形监测频率要求较高，待变形值稳定后监测频率适当减少，现场测试项目及监测频率如表7所示。

表7 现场测试项目及监测频率

4.2 现场实施效果分析

在杏花村1号隧道上、下行线洞口段埋设变形监测测点，对隧道的拱部沉降和净空收敛进行长期监测，并根据监测结果指导现场施工。选取上行线出洞口Ⅳ级围岩断面SK3495+490和上行线进洞口Ⅴ级围岩断面SK3494+580这2个典型断面进行分析研究。

1) 断面SK3495+490

SK3495+490断面测点累计变形量统计如表8所示。SK3495+490断面拱顶沉降时态曲线如图7所示；SK3495+490断面周边收敛时态曲线如图8所示。

图7 SK3495+490断面拱顶沉降时态曲线

图8 SK3495+490断面周边收敛时态曲线

表8 SK3495+490断面测点累计变形量统计

由表8可知，断面SK3495+490的拱顶沉降最大值发生在1号测点(拱顶偏左)，为17.38 mm；周边收敛最大值发生在5-5′号测点(左拱脚至临时支撑)，为14.68 mm，均小于预留变形量的100 mm。

由图7可知，对于隧道的拱顶沉降，当开挖1部和2部时，分别埋设1号和2号测点，此时沉降值增长迅速；3部和4部开挖之后，沉降值继续增长，直到5部开挖后，1号和2号测点沉降值增长缓慢，逐渐趋于稳定。

由图8可知，对于隧道的周边收敛，开挖1部和2部后，拱腰与临时支撑之间的收敛值迅速增长；3部和4部开挖后，收敛值没有产生突变，可以看出其开挖对收敛的影响较小；随着5部的开挖，由于原来5部作用在1部和2部临时支撑上的围岩压力消失，临时支撑缺少了来自5部的约束力，所以临时支撑短暂向5部扩张，此时拱腰与临时支撑间不再收敛，从图8中可以明显看出随着5部的开挖，收敛值产生短暂的下降，当临时支撑在1部、2部和5部之间达到稳定平衡状态时，收敛逐渐呈现缓慢变化趋势，待支护结构封闭成环后逐渐稳定。

总体来说，拱顶沉降时态曲线呈缓坡台阶式增长，各个拱顶沉降观测点的沉降值前期增长较快，随着时间推移，沉降值逐渐趋于稳定；周边收敛时态曲线整体呈增长趋势，随着隧道支护结构封闭成环，收敛值也逐渐趋于稳定。

2) 断面SK3494+580

SK3494+580断面测点累计变形量统计如表9所示。SK3494+580断面拱顶沉降时态曲线如图9所示；SK3494+580断面周边收敛时态曲线如图10所示。

由表9可得，断面SK3494+580的拱顶沉降最大值发生在1号测点(拱顶偏左)，为21.13 mm；周边收敛最大值发生在3-3′号测点(左拱腰至临时支撑)，为15.99 mm，均小于预留变形量的150 mm。

表9 SK3494+580断面测点累计变形量统计

由图9和图10可知，SK3494+580断面各个测点的沉降和收敛随开挖工序的变化规律与断面SK3495+490断面基本一致。

图9 SK3494+580断面拱顶沉降时态曲线

图10 SK3494+580断面周边收敛时态曲线

总体来看，时态曲线呈缓坡台阶式增长，各个拱顶沉降观测点的沉降值前期增长较快，随着时间推移，沉降值逐渐趋于稳定；周边收敛时态曲线整体呈增长趋势，随着隧道支护结构封闭成环，收敛值也逐渐趋于稳定。

综上，拱顶沉降时态曲线和周边收敛时态曲线均呈缓坡台阶式增长趋势，沉降值和收敛值均表现为前期增长较快，随着时间推移变形量逐渐趋于稳定。因此，在杏花村1号隧道洞口段进洞施工中，采用上述进洞方案能使围岩处于稳定状态，实现安全进洞。

5 结论

通过对杏花村1号隧道进洞方案的研究，得出以下结论。

(1) 杏花村1号隧道Ⅳ级围岩洞口段采用双侧壁导坑法施工，辅以超前锚杆进行加固。Ⅳ级围岩断面拱部沉降最大值为17.38 mm，周边收敛最大值为14.68 mm。

(2) 杏花村1号隧道Ⅴ级围岩洞口段采用双侧壁导坑法施工，辅以超前小导管和超前大管棚进行加固。Ⅴ级围岩断面拱部沉降最大值为21.13 mm，周边收敛最大值为15.99 mm。

(3) Ⅳ级围岩洞口断面的累计变形量远小于设计预留变形量的100 mm；Ⅴ级围岩洞口断面的累计变形量远小于设计预留变形量的150 mm。

(4) 实际进洞施工采用的双侧壁导坑法的拱顶沉降和周边收敛监测值与数值模拟计算值比较吻合，说明数值模拟能够较好为施工工法的选择提供依据。

(5) 根据现场实测值，S5a和S5b段采用双层初期支护能够较好控制拱部沉降和周边收敛，而且累计变形量也远小于预留变形量，增强进洞施工的安全性。

(6) 根据现场监测，随着时间推移，拱顶沉降和周边位移能够较快趋于稳定状态，说明进洞施工采用的双侧壁导坑法和超前支护措施能够很好地确保进洞施工安全性，采用上述进洞方案能使隧道结构稳定，进洞方案安全、合理，可为今后类似工程提供参考。