城市地下软弱围岩超大断面隧道施工工法

张君宝，李昌存，李韫芃，郭爱鹏，李 勇，陶志刚

（1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063200；2. 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100089；3. 深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003）

21世纪以来，随着中国经济的不断腾飞，越来越多的人口涌入城市，城市的交通压力越来越大。传统的两车道小断面隧道已经明显不能解决现在的交通拥堵问题，对单洞三车道、四车道超大断面隧道工程的需求日益增加（田四明等，2020；张铁柱等，2012；Naylor et al., 1981）。但是超大断面隧道由于其自身的特点，在跨越软弱围岩地层时更容易发生围岩大变形，在隧道开挖过程中，开挖工法的选择对隧道围岩造成的扰动影响占有很大比重，目前分析围岩稳定性的方法有理论分析、工程类比和数值模拟等，其中数值模拟分析法是最适合研究隧道围岩稳定性的方法（LI Pengfei, 2016；WANG Bo et al., 2017）。

在隧道施工时，对围岩的扰动在时间和空间上的影响是不可逆的（宗泽，2019）。因此，为对隧道围岩的变形进行控制，开挖工法的选择在超大断面软弱围岩隧道施工过程中十分重要（朱宝合，2020）。

另外，对国内大断面软弱围岩隧道工程的开挖工法进行了一系列调查分析。在兰渝铁路木寨岭隧道段对上下台阶预留核心土法、三台阶法和三台阶七步法进行了对比研究（沙鹏等，2015；黄明利等，2016）；在宜巴高速公路的峡口隧道部分，研究的隧道开挖工法有上下台阶预留核心土法和环形开挖预留核心土法（李鸿博等，2011）；根据数值模拟及现场检测，认为在兰新铁路的大梁隧道部分适用三台阶七步法施工（李鹏飞等，2013）；在汶马高速公路的鹧鸪山隧道对三台阶预留核心土法和上下台阶预留核心土法进行对比实验认为三台阶预留核心土法最为合适（孟陆波等，2017）。依托实地工程，利用 FLAC3D建立隧道三维数值模型，对不同开挖工法在深埋超大断面隧道的开挖过程中围岩扰动的情况进行研究（管新邦，2018）；利用FLAC3D软件对台阶法、CD法和CRD法3种施工工法进行对比分析，得出在相同的支护条件下，CD法施工相较于台阶法和CRD法，对围岩的扰动影响较小（刘希亮，2018）。通过FLAC3D软件中对隧道施工工法以及围岩变形支护进行模拟计算研究，证明FLAC3D在地下工程方面具有很强的适用性（吴小萍等，2018；LI Weiteng et al., 2017）。

以往学者对软弱围岩超大断面隧道围岩施工工法进行有限元模拟研究时，并未通过实地勘探获取地层参数、划分详细地层，所建立隧道模型粗糙，使得模拟结果往往达不到现场施工的预计要求，后期维护成本较大。

因此为使数值模拟结果更接近实际工程，本文进行实地勘察，借助测井资料详细划分地层，并通过室内物理力学试验得到地层岩体物理参数，再采用建模软件Rhino 6与有限差分软件相结合的方法，建立极为细致的隧道模型，并进一步分析侨城东路隧道的位移、应力场分布特征，之后进行相似比物理模型实验，对比数值模拟结果，探究最适合侨城东路东线隧道标准段的施工工法，为深圳立体交通项目整体施工提供了数据支撑。

1 工程概况

侨城东路北延通道工程隧道最大开挖跨度达32 m，为世界之最，相关设计标准超出现行规范范畴。隧道大多位于部九窝渣土场下方，隧道拱部为强风化、全风化花岗岩甚至素填土，且地下水位高，围岩级别差，隧道设计、施工风险高，如图1所示。

图1 侨城东路—宝鹏通道立交处隧道工程概况Fig. 1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road - Baopeng Passage Interchange

2 侨城东路北延通道工程围岩大变形机理

2.1 隧道围岩物理力学特性

围岩的力学特性是影响隧道变形的根本因素。因此对原位钻探所取岩石样品的岩性、岩石参数进行了试验研究（图2），主要包括：单轴抗压强度（岩芯较破碎，可取岩样做点荷载试验）；隧道工点选择部分样品作密度、弹性模量（E）、泊松比、抗拉试验、单三轴等试验。隧道从上到下依次是素填土、块状强风化中粒花岗岩、全风化中粒花岗岩、中风化中粒花岗岩、微风化中粒花岗岩。试验结果如表1所示。

图2 隧道钻孔及样品整理Fig. 2 Tunnel drilling and sample arrangement drawing

表1 隧道围岩力学性质试验结果Tab. 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

通过对现场进行地应力测量，可知隧道周围最大水平主应力为13.28 MPa，垂直应力为25.98 MPa，通过对比分析单轴抗压强度与隧道应力大小得出：隧道开挖后，围岩的最大应力超过了隧道顶部的全风化花岗岩，因此围岩会很快发生大变形，且中风化与微风化中粒花岗岩的抗压强度均大于围岩的最大应力，则隧道位移应该表现为拱顶沉降量最大，拱底的收缩量最小。隧道周围岩体抗压强度高，拱底隆起小，隧道顶周围的应力难以向下释放，会集中在隧道的两侧，并对隧道的两侧进行挤压，导致水平位移较大。

2.2 隧道围岩大变形机理

基于上述测试与研究成果，分析得出侨城东路北延通道工程超大断面隧道软弱围岩大变形的主要原因为：

（1）隧道地应力高，素填土、块状强风化与全风化中粒强度较低。因此在隧道开挖后极易发生破坏，并向下发生沉降，隧道拱顶变形量最大，拱底的变形量相对较小，隧道两侧受到挤压，也会发生一定程度的大变形。

（2）在拟建隧道场地附近主要发育有多条断裂，多与隧道呈大角度相交，受地质历史上多次区域构造运动的影响，场地基岩构造裂隙普遍较发育，锚索排距过密可能会导致岩体破碎，且围岩裂隙除成为地下水的蓄水空间及渗水通道外，对洞身围岩的稳定会产生一定的不利影响。

3 数值模拟

3.1 建立数值模型

模型根据侨城东路隧道标准段K3+355—K3+395段实际地质条件进行建模处理。为保证数值模拟结果精确，建立146 m×140 m×40 m的隧道模型，开挖跨度达20.97 m，高10 m，隧道横向方向左右各留63 m（3倍洞径，消除边界影响），底部留42 m（2倍洞径，消除边界影响），拱顶至地表，隧道纵向长度取40 m，整体进行网格加密。模型计算分析采用mohr-coulomb（摩尔-库伦）准则，null（挖空/删除）模型模拟隧道开挖工法，cable（锚索）单元和shell（衬砌）单元共同模拟围岩支护控制。在隧道底和4个侧方向上施展约束力，顶部施加自重力，形成模型初始应力场。其中模型初始位移场作为土体固结产生的原始位移，在隧道开挖施工时已经经过多年变形完成，因此在隧道开挖工法模拟开始时将位移化为零。该隧道结构断面图及围岩初支如图3所示，隧道围岩支护参数如图4所示。

图3 隧道结构模型Fig. 3 Tunnel structure section drawing and initial support control drawing

图4 支护方案及数值计算模型Fig. 4 Support scheme and numerical calculation model

3.2 开挖工法模拟

为研究不同的开挖工法对超大断面隧道软弱围岩稳定性的影响，分别对全断面法、CRD法、三台阶法和三台阶七步预留核心土法进行模拟计算。对比分析模拟结果，得出最安全合理的施工工法。具体开挖方案如图5所示。

图5 4种工法开挖方案Fig. 5 The excavation plan of four construction methods

4 结果与讨论

4.1 不同施工工法下隧道围岩位移分布

采用全断面法，CRD法，三台阶法，三台阶七步预留核心土法施工时的围岩位移云图如图6、图7所示。

图6 隧道垂直位移云图Fig. 6 Tunnel vertical displacement cloud map

图7 隧道水平位移云图Fig. 7 Tunnel horizontal displacement cloud map

通过图6可知，4种不同的开挖工法，隧道顶部垂直位移均大于底部垂直位移，在隧道顶部形成了冒落拱。采取全断面法开挖隧道时拱顶的纵向位移量最大，为0.51 m；CRD法和三台阶法拱顶下沉位移量相差不多，位移分别为0.48 m和0.49 m，三台阶七步预留核心土法拱顶下沉位移量最小。采用CRD法和三台阶法施工时对隧道岩土体开挖高度较大，因此导致隧道顶部位移变大。因此在该隧道施工中应特别注意隧道拱顶以及拱肩的围岩变形情况，采取有效的控制手段。

通过图7可知，采用全断面法、三台阶法、CRD法和三台阶七步预留核心土法进行隧道开挖时，围岩在横向方向上的位移主要集中于隧道的拱肩和拱腰位置，且左右两侧横向变形大致呈对称分布，隧道左侧水平位移略大于右侧，隧道两侧向隧道内部发生挤压。在水平方向上，全断面施工引起的位移最大，为0.39 m；CRD和三台阶法接近，分别为0.36 m和0.38 m，三台阶七步预留核心土法在水平方向上引起的位移最小，为0.27 m。

4.2 不同施工工法下隧道围岩应力分布

隧道在进行施工之后，其围岩应力会发生重分布，原来的平衡状态不复存在，隧道的局部应力会突然增加。侨城东路隧道标准段属于浅埋地下工程，其垂直应力大于水平应力。4种开挖工法的应力分布云图如图8、图9 所示。根据应力云图可知，在隧道的拱顶、拱底和拱腰处都出现了应力集中现象。可见即使在浅埋的情况下，隧道顶底部和拱腰位置也都出现了拉应力，其中最大拉应力都集中在隧道的拱腰处，顶底部的拉应力小于两侧，应力云图整体沿隧道中线呈现对称分布。

图8 隧道垂直应力云图Fig.8 Tunnel vertical stress cloud map

图9 隧道水平应力云图Fig. 9 Tunnel horizontal stress nephogram

由图8可知，隧道开挖后造成围岩最大垂直主应力：全断面法为25.2 MPa，三台阶法为20.1 MPa，CRD法为19.3 MPa，三台阶七步预留核心土法为18.9 MPa。施工造成的垂直应力集中现象，三台阶七步预留核心土法较轻，全断面法较重。由图9可知，在隧道开挖完成后造成的围岩最大水平应力：全断面法最大为11.72 MPa，其次为三台阶法为11.02 MPa，CRD法为10.90 MPa，三台阶七步预留核心土法最小为10.07 MPa。

4.3 室内相似比物理模型试验

在数值模拟方法尚未完全成熟可靠的现阶段，室内相似比物理模型试验具有重要作用，是了解岩土工程相关力学特征的重要手段，也可以对数值模拟的结果进行对比验证。室内相似比物理模型试验是一种将工程问题简化然后按一定相似比例缩小的实验方法，通过物理模型实验能够获得工程现场中无法获取的相关数据，从而反馈设计。采用几何相似理论以及应力相似条件获得模型受力后的变形及应力分布特征，从而反馈至实际岩土工程中，是了解岩土工程相关力学特征的重要手段。实验设备及结果如图10所示。

图10 相似模拟实验Fig. 10 Similar simulated experimental

为节约实验成本，实验加载设备尺寸为：长×宽×高为1.6 m×1.6 m×0.4 m。加压方式采用垂直加压及两侧加压，垂直加压模拟隧道所受垂直应力，水平加载模拟水平最大主应力。通过对地勘资料分析，垂直地应力为13.28 MPa，最大水平应力25.98 MPa。根据2.1节隧道围岩物理力学特征知，隧道所处微风化中粒花岗岩单轴抗压强度约为54.25 MPa，选取强度相似比为30，因此相似材料单轴强度应该在1.8 MPa左右。通过对不同配比下的相似材料试验分析，最终选取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作为相似材料。

由实验结果可以看出，在无锚索支护下，随着时间的增加，隧道左拱肩以及拱腰处附近出现了离层现象，右拱肩以及拱腰处岩石块体有滑移现象。隧道拱顶处发生明显剥离现象，变形破坏严重。通过与数值模拟结果进行对比发现，在数值模拟与模型实验中，隧道的拱顶在开挖后均发生了大变形，隧道底变形不明显。但数值模拟中隧道两侧出现的大变形情况，在物理相似比模型实验中并未出现，这是由于只选择了隧道所在岩层微风化中粒花岗岩进行相似比实验，不能将隧道施工后的情况完整的展现。

5 结论

综合4种施工工法，对侨城东路隧道标准段开挖过程中围岩的位移、应力的分布规律和应变的变化进行对比分析：

（1）从位移云图来看，三台阶七步预留核心土法引起的位移变化量最小，CRD法和三台阶法接近，全断面法最大。在隧道周围岩体上都有应力集中现象，在埋深较浅的情况下，都产生了拉应力。全断面法施工造成的应力集中现象较重，三台阶七步预留核心土法施工时所产生的应集中现象较轻。

（2）4种开挖工法下围岩位移均表现为拱顶下沉，拱底隆起，两侧向隧道内挤入。隧道顶部、底部和两侧是应力集中的主要部位，与理论分析结果相同。室内相似比物理模型实验，验证了数值模拟的结果，也证明PR锚网索支护体系不适用于软弱围岩超大断面隧道的初期支护。

（3）总体来看，三台阶七步预留核心土法因为其开挖距离短，开挖高度低，因此对围岩扰动较另外3种工法较小，初期支护工序操作便捷；当围岩变形较大时，在保证安全和满足净空要求的前提下，也可尽快调整闭合时间，更避免了施工后的大量拆除工作。因此选择三台阶七步预留核心土法是侨城东路北延通道工程的最佳施工工法。但隧道围岩仍然发生了大变形，因此需要特别注重初期支护方案的设计。

致谢：本研究依托于《复杂地质条件下城市大型地下互通立交特大断面隧道设计施工关键技术研究》项目，在此感谢合作单位——深圳市综合交通设计研究院深圳有限公司提供的帮助。