软岩地段大断面浅埋偏压隧道开挖方法比选

许胜辉

（新疆交通建设管理局项目执行二处，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

山岭隧道建设过程中，由于山体岩质松软、富含水等原因导致工程事故频发，因此，研究软岩地段大断面浅埋隧道合理的开挖施工具有重要意义。李云刚和于志秋［1-2］采用有限差分软件FLAC，对浅埋隧道施工方法进行了比选分析，结果表明，CD 法和CRD 法开挖隧道引起的地表沉降和拱顶变形较小，而全断面法引起的底部隆起最小，施工过程中应视具体工况进行方法选择。陈鹏飞等［3-4］以大断面软岩浅埋偏压隧道施工为研究对象，通过数据监测分析发现，隧道开挖容易出现围岩失稳、横向位移等不利现象，施工中应注意控制。张超等［5-6］以某隧道工程采用CRD 法施工为分析对象，得出该种方法具有结构简单、经济显著和拆卸方便等特点，适合大断面浅埋隧道开挖。

1 工程概况

某山岭隧道桩号为ZK14+152.1—ZK15+694.7，长1 542.6 m，该区域内围岩以IV 级和V 级为主，岩质主要以砂岩、变质岩和碎石土为主，结构较为松散、破碎，围岩稳定性差。山体存有一定坡度，呈现出东高西低，自然坡度在32～60°之间，山顶乔灌木茂密，局部发育陡峭山崖。隧道设计纵坡度为-2.0%，该隧道最大宽度隧道最大宽度是17.346 m，最大高度是11.88 m 拟采用台阶法施工或环形开挖预留核心土法施工，见图1。为了对比两种隧道施工功法的优异性，基于数值模拟软件进行对比分析。

图1 隧道断面/cm

2 两种施工方法对比

2.1 台阶法

台阶法开挖是将开挖断面分成两步或多步进行开挖，形成上下两个或多个开挖工作面，该方法一般适用于Ⅲ和IV 级围岩，上下台阶间距一般控制在1～1.5 的洞径内。先在拱顶进行超前支护，然后沿着隧道上轮廓线进行上台阶开挖，开挖后立即喷射混凝土，初喷厚度取5 cm 左右，并按要求设置锚杆和钢架。然后进行下台阶开挖，上下台阶应保持适当距离，开挖进尺一般控制为每循环两幅拱架间距，开挖后进行初喷3～5 cm 混凝土封闭，并按要求设置锚杆和钢架，最后进入下一循环开挖。

2.2 环形开挖预留核心土法

环形开挖预留核心土法常用于IV 级和V 级围岩，在每次开挖循环中，机械结合人工开挖拱顶部分，之后架立拱架、挂网以及喷射混凝土。在初期支护后，进行核心土和下半部分开挖，紧接着打锚杆、上支撑并挂网喷混凝土，进行封底施工，最后进入下一循环开挖。该方法循环开挖长度以在50～100 cm 之间为宜，核心土面积应大于等于开挖面积的1/2，每两品钢拱间宜采用连接钢筋连接，并应加锁脚锚杆。

3 隧道开挖数值建模

3.1 模型建立

采用大型有限差分软件FLAC 建模进行计算，隧道尺寸按照实际尺寸建模，考虑到隧道的开挖影响范围，模型长、宽分别取100 m 和60 m，左侧、右侧高度分别为80 m 和60 m，隧道中心埋深约为24.2 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。隧道支护形式为初次支护+二次支护联合支护形式，即采用锚杆+钢拱架+喷射混凝土+二次衬砌，初支喷浆厚度为5 cm，二次衬砌厚度为40 cm。锚杆长度取3.5 m，间距取1.5 m，直径取22 mm，横断面上共计29 根，采用摩尔库伦本构模型。见图2。

图2 数值模型

3.2 参数赋值

围岩的物理力学参数和喷混凝土、二次衬砌和锚杆的力学参数见表1、表2。

表1 围岩的物理力学参数

表2 喷混凝土、二衬和锚杆力学参数

3.3 监测点设置

为了分析两种施工方法的优越性，在拱顶、拱肩和拱脚分别设置位移监测点5 个，见图3。

图3 监测点布设

4 两种开挖方法数值结果分析

4.1 开挖后竖向位移云图对比

给出了两种方法开挖后竖向位移云图，见图4。

图4 两种方法开挖后竖向位移云图

由图4 可知，采用台阶法开挖施工后，最大沉降位移发生在拱顶偏左拱肩处，最大沉降值为-3.53 mm；采用环形开挖预留核心土法开挖施工后，最大沉降位移同样发生在拱顶偏左拱肩处，最大沉降值为-3.45 mm。相比于采取台阶法开挖施工，采取环形开挖预留核心土法开挖施工后拱底沉降减小，且围岩松动圈面积较小。

4.2 监测值对比分析

为了更好地对比两种开挖方法的差异性，给出了两种施工方法监测点位移值对比，见图5，其中拱顶为沉降值，其它为水平收敛值。

图5 两种施工方法监测点位移对比

由图5 可知，对于台阶法开挖施工，拱顶沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱脚和右拱脚的水平收敛值的大小分别为3.18 mm、2.83 mm、0.24 mm、0.84 mm 和0.17 mm，对于环形开挖预留核心土法开挖施工法，拱顶沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱脚和右拱脚的水平收敛值大小分别为2.82 mm、2.73 mm、0.16 mm、0.57 mm 和0.08 mm。相比于采用台阶法施工时，采取环形开挖预留核心土法开挖施工时拱顶沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱脚和右拱脚的水平收敛值分别减小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。综上可知，采用环形开挖预留核心土法施工时，由于其合理的施工工序，隧道开挖面的围岩稳定性较好，对拱脚及以下部分围岩变形影响较小，更好地保证了施工过程的稳定性。

5 结语

（1）采用台阶法和环形开挖预留核心土法开挖隧道，最大沉降位移均发生在拱顶偏左拱肩（即围岩承受压力较大一侧），二者最大沉降值依次为-3.53 mm 和-3.45 mm，采取环形开挖预留核心土法开挖施工后拱底沉降减小，且围岩松动圈面积较小。（2）相比于采用台阶法施工时，采取环形开挖预留核心土法开挖施工时拱顶沉降值，左拱肩、右拱肩、左拱脚和右拱脚的水平收敛值分别减小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。（3）采用环形开挖预留核心土法施工时，由于其合理的施工工序，使得隧道开挖面的围岩稳定性较好，适用于偏压隧道开挖施工，尤其对拱脚及以下部分围岩变形影响较小，从而更好地保证了施工过程的稳定性。