超大断面浅埋隧道双侧壁导坑法及其优化设计

刘荣欣，刘忠凯，刘春舵

（中海建筑有限公司， 广东 深圳 510000）

1 工程实例

1.1 工程概况

贵州省黔南地区师院隧道为超大断面浅埋隧道，全长204 m，最大埋深28 m 左右，单洞开挖宽度23.82 m，断面开挖面积313.81 m2。

隧区属于溶蚀、剥蚀中低山地貌区，线路通过溶蚀残丘、斜坡剥蚀坡地地带，山林呈南北向条带，线路呈东西向。 围岩级别为Ⅴ级，地质条件较差。

1.2 初选施工方法

根据师院隧道实际情况， 查阅相关文献和JT6/TD70—2010《公路隧道设计细则》相关规定，选用对围岩扰动小的双侧壁导坑六步法将隧道化零为整，分部开挖。 每开挖一步均施作一圈支护结构，最终形成封闭成环的永久支护结构。 双侧壁导坑六步法施工每台阶的步距均为3 m，施工示意图见图1。

图1 双侧壁导坑六步法

2 数值计算与结果分析

采用MIDAS/GTS 数值分析软件进行数值模拟，分析双侧壁导坑六步法对超大断面隧道围岩稳定性的影响，通过分析拱顶下沉、周边围岩收敛、围岩应力的范围评价改进开挖方法。 选取K0+488 断面进行分析。

2.1 计算参数

根据地勘报告，选取最低值作为岩土体物理力学参数，这样计算所得结果偏于安全。 有限元计算模型中各材料的计算参数取值见表1。

表1 计算参数

2.2 建立模型

对施工过程进行二维数值模拟， 以X-Y 轴所在平面为模型分析空间平面， 各施工步骤均严格按照实际施工过程模拟。

2.3 初步结果分析

根据数值模拟结果，使用双侧壁导坑六步法施工，最终Y 方向位移沉降为15.35 mm，沉降位移较大，而且施工中存在爆破震动、降水等不确定因素的影响。 因此，为减少对围岩扰动、有效控制围岩变形、增加隧道施工的安全性，需进行开挖方案优化。

3 优化设计

3.1 施工方法优化

考虑在双侧壁导坑六步法的基础上进一步细分开挖区域，分九步进行开挖，开挖分部见图2。

图2 双侧壁导坑九步法示意

3.2 建模验算

使用MIDAS/GTS 软件进行建模分析计算。

3.3 优化后的位移分析

（1）在①部开挖后最终位移沉降为1.81 mm；在②部开挖后最终位移沉降为2.47 mm； 在③部开挖后最终位移沉降为2.48 mm； 在④部开挖后最终位移沉降为2.67 mm； 在⑤部开挖后最终位移沉降2.91 mm；在⑥部开挖后最终位移沉降为2.98 mm；在⑦部开挖后最终位移沉降为4.77 mm；在⑧部开挖后最终位移沉降为5.06 mm；在⑨部开挖后最终位移沉降为5.59 mm；最终位移沉降为7.18mm。

（2）按双侧壁导坑九步法施工的左侧导坑沉降位移随着①、②、③部的开挖逐渐增大，在开挖左导坑上部时，左导坑拱顶的沉降位移增量明显比开挖左导坑下部的沉降位移增量大。这说明左导坑下部是围岩变形控制点，在施工左导坑下部时，通过细化开挖区域、超前支护、短进尺等方式，能有效控制其下部的围岩变形，对控制隧道拱顶沉降位移是有效的。 同理，在施工右导坑、核心土时，通过细分开挖区域，使得围岩变形主要控制点面积变小，更能做好右导坑、核心土上部的围岩变形控制，减小拱顶沉降。 因而双侧壁导坑九步法通过细分开挖区域，对控制这个隧道围岩沉降位移具有积极影响。

（3）使用双侧壁导坑九步法在开挖隧道时围岩变形规律同使用双侧壁导坑六步法开挖时的围岩变形规律是相似的。最开始在左导坑拱顶会产生一个松弛变形区；随着右导坑开挖，右导坑拱顶也产生一个松弛变形区；随着核心土开挖，左、右导坑的松弛变形区联通扩大，向地表延伸，在核心土顶部的围岩变形是最大的。类似地，开挖左导坑后，左导坑拱底产生一个挤压区；随着右导坑开挖，右导坑拱底也产生一个挤压区；随着核心土开挖，左、右导坑的挤压区联通扩大，向深处延伸，在仰拱中部的围岩变形是最大的。 虽说两者的围岩变形规律相似，但采用双侧壁导坑九步法施工更能有效控制围岩变形程度，明显减小沉降位移，有效提高施工的安全性。

3.4 优化后的应力分析

隧道开挖完成后最终弯矩为291.07 kN·m，最终轴力为199.33 kN， 最终XY 方向平面应变为819.31 kN/m，均在合理范围内。

3.5 隧道监测验证

为了检验双侧壁导坑九步法在师院隧道实际工程中的应用情况，对师院隧道开挖断面K0+483～K0+520 段开挖过程拱顶沉降、 地表下沉进行监控量测，选取K0+488 断面的数据进行分析。

3.5.1 测点布置

K0+488 断面设3 个拱顶沉降测点、2 条围岩收敛测线以及11 个地表沉降测点。 隧道内监测点布置及地表沉降监测点布置见图3、4。

图3 隧道内监测点布置

图4 地表沉降监测点布置

3.5.2 监测结果

典型断面K0+488 的现场监测数据见图5、6。K0+488 断面拱顶沉降及周边收敛监测从6 月11日开始，K0+488 地表下沉位移监测从6 月9 日开始，在6 月30 日两者的位移稳定。

图5 K0+488 断面拱顶沉降及周边收敛位移

图6 K0+488 地表下沉位移累计

从图5 可以看出，师院隧道拱顶沉降最大值为20.22 mm，周边收敛最大值为7.64 mm，地表沉降最大值为9.11 mm。 监测数据均处于控制范围内，无较大异常变形值，变形值未超过预警值。 拱顶数值模拟的最终位移沉降为7.18 mm， 是监测值的36%。 拱顶沉降模拟值小于监测值，这是多种因素共同引起的。首先，数值模拟是对真实工程的简化，简化之后计算出的结果同真实情况存在一定的误差。 再者，数值模拟通过折减参数反映岩土的破碎程度， 然而实际中岩体被各种结构面不规则切割，稳定性差，更易导致沉降变形。 最后，施工扰动、降雨入渗等因素都会加大围岩变形。这些因素无法用数值方法模拟，因而导致了监测值大于拱顶沉降模拟值。

4 结论

（1）对于Ⅴ级围岩及更差的超大断面浅埋隧道，采用双侧壁导坑九步法比双侧壁导坑六步法更能有效控制围岩变形，明显减小隧道拱顶与地表的沉降位移。

（2）采用双侧壁导坑九步法与六步法在开挖过程中的围岩变形规律是相似的。 左导坑下部、右导坑上部和核心土上部开挖导致围岩变形突变、沉降位移突增，为施工中围岩变形及稳定性的主要控制点。

（3）隧道监测表明，双侧壁导坑九步开挖法，配合超前支护、短进尺以及及时初支等辅助措施对减小围岩沉降位移是可行的。