超大跨隧道特大塌方体的开挖技术探讨

周 祥，胡卫军，周东迎

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

随着城市化进程的发展，对大跨交通隧道的建设需求逐步增大。大跨隧道的力学反应和稳定性与双车道有很大区别，施工不当极易诱发大规模的塌方。大跨隧道塌方后需要在塌方体中重新开挖，开挖过程中的安全性问题值得重视。目前虽然有不少同行对塌方的开挖方法进行了探讨，但对超大跨隧道在大埋深的松散岩块中进行开挖的技术探讨较少。

1 工程概况

某市政双向八车道机动车隧道，最大开挖宽度为21.5 m，最大开挖高度为15 m，长度为480 m，属于短隧道。其机动车道一侧设非机动车道隧道。该隧道施工过程中在出口一侧出现多次坍塌，最大一次坍塌埋深最大约为70 m。该隧道出口端塌方体以块石、碎石、角砾及黏性土为主，呈碎裂状结构。该隧道塌方前采用双侧壁导坑工法进行施工，但中导洞并未设置横撑，塌方后松散体对施工控制的要求进一步提高。塌方体纵断面如图1所示。

图1 塌方体纵断面示意图

2 风险分析

由于隧道为超大跨隧道，塌方松散体厚度达到70 m，为碎块状，无粘结力，因而存在两大安全风险：

(1)塌方体形成了一个临时平衡的状态，在持续的变形及降雨等不利影响下，塌方体有继续向掌子面突出的风险。在施工挖出掌子面突出的松散体后，平衡进一步被打破，可能会进一步向临空面突出，有造成人员伤亡的风险。

(2)松散体厚达70 m，由于坍塌后周边岩体对松散体的约束限制作用大幅度降低，开挖过程中支护结构将承受巨大的山体压力，尤其是初期支护并未能及时形成闭合结构，其承载能力较低，开挖过程中对支护方式和开挖步骤要求较高，稍有不当就可能造成初期支护破坏，从而导致进一步坍塌。

3 开挖方法

为了解决掌子面松散体继续突出及松散压力造成初期支护破坏的问题，需要合理采用辅助工程措施，并采取适当的开挖方法和支护结构进行处治。考虑到本塌方体主要为松散的块状硅质岩，具备注浆的条件，山体地形经过多次塌方后，具备在地表进行操作的条件，因此采取在地表注浆的方式。同时为了增强安全性和可靠性，需要在洞内采用双层导管超前注浆。通过地表和洞内注浆的措施，大幅提高松散体的粘聚力和整体性，从而为下一步施工的空间利用提供了保障。

针对塌方体所采取的施工方法要求能提供足够的稳定性，为此需要对原来的双侧壁施工工法进行优化，形成一种新的施工工法。原设计施工工法见图2。

为了解决病害向掌子面涌出和保障开挖后初期支护的足够承载能力，需要进一步对该施工工法进行优化。主要优化方向有：(1)优化竖向临时支撑的曲率，减小竖向临时支撑的偏心弯矩；(2)中台阶优化临时横撑，减小竖杆的压杆长度，增强稳定性；(3)加强锁脚，对竖向横撑及初期支护采用Ⅰ14工字钢进行连接，加强整体性；(4)隧道二衬仰拱整体浇筑，不设大边墙，提高衬砌支护结构的轴力比例；(5)减小开挖进尺，及时闭合初期支护仰拱；(6)提高型钢的强度，采用Q345型钢。结合辅助措施，经过优化后的施工工法使得开挖过程能够充分利用空间，且初期支护具备足够的承载能力，具体见图3。

图2 原设计施工工法示意图

图3 优化后的施工工法示意图

4 验算分析

为了有效地验证开挖稳定性问题，采用地层结构法对开挖过程进行分析，结合《公路隧道设计规范》[1]，初期支护及围岩承担的释放荷载取50%。地层结构法的计算基本步骤为：(1)按照双侧壁导坑的方法分步开挖土体及激活相应的初期支护、临时横撑；(2)撤除临时初支。相关模型见图4。

图4 数值计算模型云图

4.1 计算结果

4.1.1 主洞初支

从图5～7的主洞初期支护的受力形态来看，其主要弯矩由拱顶变为支撑的两个角部位，达到了减跨的目的，但同时也在导洞竖向支撑的位置产生了较大的剪力，不过从幅值来看，其远小于拱脚的剪力。总体来看，设置双侧壁导洞竖向支撑达到了总体减跨的目的，提高了隧道施工的安全性。

图5 主洞初支轴力云图

图6 主洞初支弯矩云图

图7 主洞初支剪力云图

4.1.2 导洞初支

从图8～10的导洞竖向支撑的受力形态来看，竖向支撑在临时横撑处产生了负弯矩，正弯矩因负弯矩作用也相应减小。从梁体的受力形态来看，设置横撑对竖向支撑的减跨作用明显，从而提高了竖向支撑的平面外稳定性，进一步提高了开挖的安全性。

图8 导洞竖向支撑轴力云图

图9 导洞竖向支撑弯矩云图

图10 导洞竖向支撑剪力云图

4.1.3 横撑

从图11～13来看，整个横撑的受力比较小，其中中导洞的两个横撑的轴力最大，这说明中导洞的横撑受到了较大的竖向支撑侧弯带来的压力，也说明中部横撑起到了很好的作用。

图11 导洞横向支撑轴力云图

图12 导洞横向支撑弯矩云图

图13 导洞横向支撑剪力云图

4.2 内力验算

本次初期支护采用双层型钢喷射混凝土结构。根据文献[2]进行验算，考虑到临时横撑和侧导洞未拆除前，型钢宜处于弹性状态，验算时采用弹性抗弯惯性矩；考虑到拆除横撑后范围较小，可以通过控制拆除距离及时施作二衬解决安全问题，此时验算可采用塑性抗弯惯性矩。

型钢的验算公式为：

(1)

喷射混凝土的验算公式为：

(2)

经过计算，各个阶段喷射混凝土的最大压应力仅为10.8 MPa，是安全的。未拆除临时支护时，初期支护型钢的局部最大压应力为239.7 MPa(该压应力经计算修正，其值为γ0γ1γhyQ,下同)，小于强度标准值345 MPa，基本处于弹性状态。拆除临时支护后，初期支护型钢最大压应力为256.6 MPa，小于强度标准值345 MPa。导洞临时支护型钢的压应力为222.8 MPa，小于345 MPa。横撑的最大拉应力为60.6 MPa，压应力为57.7 MPa，远小于345 MPa。考虑到型钢腹板具有抗剪能力且一榀型钢的抗剪能力为：125×2.5=312.5 kN/m，则主洞初期支护单型钢腹板抗剪能力就达到1 250 kN，远大于剪力设计值；临时支护型钢每延米抗剪能力达到625 kN，亦远大于设计值，可见初期支护是安全、合理的。

5 结语

(1)超大跨隧道塌方体的开挖应重视对开挖方法的选择，优化开挖断面，严格按照超前加固、短进尺、强支护的措施进行。

(2)针对塌方体的开挖应重视辅助措施，提高塌方体的整体性和稳定性，并应高度重视临时支护的减跨作用。

(3)超大跨隧道施工期间应加强变形控制，避免过大变形诱发山体松动，从而从源头上预防塌方的产生。