大断面隧道工法转换方案研究

刘家芮

（河北高速公路集团有限公司张涿分公司，河北 涿州 072750）

0 引言

近年我国隧道建设正在向着距离长、跨度大、地形复杂等特点发展。当遇到变截面问题时通常使用不同的施工工法来保证掌子面稳定[1]。变截面处隧道施工过程复杂、围岩受力状态多变，其中不同工法间的转换方式成为工程中的难题。庞万李等[2]依托实际工程，对双侧壁法转换为长台阶法进行数值仿真，结合数值模拟结果对变形情况及力学特性进行分析。殷明伦等[3]通过数值模拟结合现场数据，根据工法转换时的围岩应力与结构内力关系，确定了工法转换时过渡段的最优长度。隧道施工过程中，在变截面隧道采取合适的工法转换方案，可以尽可能地减少围岩扰动和应力集中，确保在规定工期内顺利完工[4]。本文以某隧道工程为依托，对大断面隧道工法转换方案进行研究，可为今后类似现场施工提供一定的参考。

1 工程概况

某隧道工程全长560.34m。主洞隧道与匝道隧道平交口分岔部分分段逐步扩大，如图1所示。分岔3（FC3）跨度为21.45m，分岔4（FC4）跨度为24.95m，根据两段跨度的不同，FC3采用中壁法（Center Diaphragm,CD）、FC4采用双侧壁导坑法进行施工，FC3到FC4之间采用10m延伸过渡段进行工法转换。

图1 隧道变截面处立面图

2 主要施工方案

2.1 施工工法选择

依据前期工法论证方案及FC3变更图设计，左、右线FC3段采用CD法开挖，FC4段采用双侧壁导坑法开挖，通过增加开挖步骤，控制单次开挖面积从而保证施工质量。具体段落及支护形式如表1所示。

表1 段落开挖方式及支护形式

2.2 工法转换方案

在工法转换时，FC3段中隔壁在过渡段10m范围内逐步向FC4段中心线位置偏移，从而实现在不同隧道断面间支护结构的顺利过渡，具体如图2所示。具体工法转换步骤如下：

图2 导坑示意图

步骤一：FC3导坑1开挖至与FC4交界里程停止开挖，喷射混凝土封闭掌子面。

步骤二：FC3导坑4跟进至与导坑1同一里程处，停止开挖，喷射混凝土封闭掌子面。

步骤三：中部导坑及下部导坑2、3、5、6按FC3导坑步距持续跟进。

步骤四：FC3至FC4采用10m过渡段，主要为FC4施工台架提供作业空间。

步骤五：FC3导坑1向FC4导坑1开挖，单次开挖1.5m，2榀拱架，因挑顶及扩挖高度较小，可直接挑顶扩挖，施作初期支护及临时支护，临时支撑仍采用中隔壁临时支撑。中隔壁在过渡段10m范围内逐步向FC4中隔壁偏移。

步骤六：FC3导坑1过渡段施作完成后，及时封闭掌子面。导坑4向FC4挑顶扩挖，单次开挖1.5m，2榀拱架，需经2～3次爆破形成FC4开挖轮廓线，每次爆破完成后及时采用5cm喷射混凝土进行初喷。开挖到位后及时施作FC4导坑4初期支护，导坑4过渡段施作完成后，及时封闭掌子面。至此FC4断面上导坑形成双侧壁施工作业空间。

步骤七：FC4导坑1按双侧壁导坑法开挖，及时施作支护，导坑1开挖15m后，开挖导坑4。中部导坑及下部导坑按FC4双侧壁开挖法步距持续跟进。

步骤八：及时施作仰拱及填充，封闭成环。

2.3 双层初支施工措施

导坑1开挖10～15m后进行导坑4开挖，导坑4开挖10～15m后进行导坑2开挖，及时喷射混凝土封闭掌子面，进行第二层初支施作；导坑2、5、3、6第二层初支与第一层初支同步施作。导坑7第二层初支滞后第一层初支2～3循环施作。在施作双层初支时应注意：①第一层初支与第二层初支拱架错开设置；②在第一层初支临时支撑喷射混凝土，要预留好第二层拱架横穿位置，以避免第二层初支施作时凿除横穿孔；③第二层初支应与第一层初支拱架的搭接位置错开；④第二层初支拱架应增设锁脚锚杆和纵向连接筋进行固定。

2.4 临时支撑拆除措施

在确定拆除段的永久支护封闭完成后，此时才可对该段的临时支护进行拆除，拆除时需满足规范要求。在临时支护拆除前，需要对拆除段的沉降变形监测结果进行分析，当均满足稳定条件时方可进行拆除[5]。首先采取隔3拆1的方法，观测到的隧道变形量和变形速率均处于正常范围内时，采取隔1拆1的方法，以防中隔壁支撑突然失稳倒塌。监控量测数据稳定后，对临时支撑上的混凝土进行清理，逐环清理钢筋网及钢架。对单次拆除临时支护长度以不大于1m为宜。

2.5 监控量测措施

应根据设计对监测点进行布设，在开挖、支护完成后及时对监测点进行作业，保证监测数据的准确性，及时根据现场情况对检测项目及内容进行调整[6]。对于分岔段超大断面施工，主要进行的监测项目有：地质及支护状态观察、拱顶下沉量测、钢支撑内力量测等。

3 数值模拟

3.1 数值模型的建立

采用FLAC3D对变截面隧道进行数值模拟[7]，选取隧道左线ZK4+005.0—ZK4+055.0建立模型，长宽高分别为50m×160m×140m，如图3所示。模拟计算中初期支护采用壳单元，锚杆采用杆单元，二衬、中隔墙均采用实体单元，隧道开挖使用null单元实现。围岩及支护参数根据地质工程勘察资料结合相关规范取得，如表2～表3所示[8]。

图3 计算模型网格划分

表2 计算模型中围岩物理力学性质指标

表3 支护结构参数

3.2 计算结果

按照实际施工方案模拟开挖完成的隧道位移云图如图4所示，在过渡段并未发现较大的变形，过渡段中隧道产生的位移变化较为平稳，并未发生因截面扩大而导致变形超过控制量的情况。

图4 隧道位移云图

在隧道纵深方向每隔5m分别在拱顶设置监测点，对拱顶处的位移变形进行监测，将数值模拟中开挖稳定后的监测点数据与现场实测数据对比，如表4所示。

表4 拱顶位置处数值计算与现场监测变形结果

将数值模拟得到的沉降量与现场实测值进行对比可以发现，数值模拟得到的位移均小于现场实测位移，相对误差为12%左右，无论是数值模拟还是现场实测得到的拱顶沉降均在规范的控制范围内。

4 结论

本文以某隧道工程为背景，对大断面隧道采用过渡段进行工法转换的要点进行了分析，并且利用数值模拟对工法转换时隧道的稳定性进行了验证，得到以下结论：

（1）根据对隧道开挖完成后拱顶沉降值的分析，无论是数值模拟结果还是监控量测数据，开挖完成后的拱顶变形均处于规定要求的控制范围内，证实了采用过渡段进行工法转换有利于围岩的稳定；在开挖过渡段时，拆除中隔壁会导致拱顶下沉和拱底的隆起变形量增加。因此，拆除临时支架过程中应加强监测工作。

（2）采用10m延伸过渡段进行工法转换，方便大型机械进入工作区，避免对后续双侧壁段导坑的施工造成影响，有效提高了施工效率。