分部开挖法施工隧道中隔壁优化研究

张 伟, 乔 雄, 骆维斌, 王延文, 田过勤, 倪伟淋, 刘文高

(1. 公路建设与养护技术材料及装配交通运输行业研发中心, 甘肃 兰州 730030; 2. 甘肃路桥建设集团有限公司, 甘肃 兰州 730030; 3. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

近年来，随着公路建设的蓬勃发展，大跨度隧道的应用日益广泛.修建大跨度隧道时，其变形控制尤为重要，影响围岩变形的因素有围岩等级、施工工法、隧道断面尺寸等，其中断面尺寸对隧道施工安全影响最大.因此，大跨度隧道施工时，一般都采用分部开挖法，将隧道断面划分为几个断面，再对每个区域分别进行开挖支护，以保证施工中隧道围岩的稳定性，因而形成了不同的施工工法：单侧壁、双侧壁导坑法，中隔壁法(CD)，交叉中隔壁法(CRD)，三台阶七步法等.分部开挖法中，临时支撑的施工是关键工序，因此也是研究重点.针对大跨度隧道中隔壁临时支撑技术，目前研究的主要内容集中在施工方法方面，赵鹏社等[1-3]对大跨度隧道交叉中隔壁法(CRD)施工的中隔壁临时支撑进行研究，指出传统中隔壁施工存在工序琐碎、施工效率慢、中隔壁拆除过程困难以及作业空间狭小等问题，并对中隔壁临时支撑做了优化研究，经优化后的施工方法作业空间更大，便于配合大型器械施工，有效地提高了施工效率，加快了现场施工进度.Yun等[4-7]对大跨度隧道双侧壁导坑法的中隔壁临时支撑进行了研究，同样指出传统弧形中隔壁具有施工效率慢，安、拆中隔壁耗时多，作业空间狭小，材料消耗较大的问题.针对上述问题，陈林杰等[8]提出减小中隔壁临时支撑的弧度和体积，以此增大作业面积的方法.朱丹晖等[9]提出采用锚杆代替部分支护结构，以此减少临时支撑的数量.尚友磊等[10]提出采用预留核心土法代替上导坑开挖，进而减少双侧壁导坑法开挖导坑的数量，以此降低中隔壁支撑材料的消耗.

由于单侧壁导坑法相比双侧壁导坑法具有造价和施工进度方面的优势[11]，其成为大跨度隧道常用的方法之一.单侧壁导坑法中，临时支撑多以弧形为主，为保证与初期支护直接的连接，对前期加工精度要求较高.若能在保证施工安全的情况下，将其改为竖直型支撑，则不仅能使隧道施工进度效率更高，工程造价更低，还能增大作业空间，便于施工机械的应用.但目前关于此方面的研究较少.

为此，以G312线清水驿至傅家窑公路隧道为依托，采用数值模拟方法对弧形与竖直临时支撑在施工过程中的位移变形和受力特征进行研究，一方面能指导依托工程的施工，另一方面可为今后类似工程提供借鉴，并为后期开展直壁式临时支撑的现场试验奠定基础.

1 工程概况

图1 隧道支护设计(cm)Fig.1 Design of tunnel support(cm)

2 单侧壁施工方法对比

隧道采用传统单侧壁导坑法施工，如图2所示.采用弧形中隔壁划分的施工断面作业空间小，不易机械作业，导致施工效率低，材料损耗较大.

图2 现场施工方法Fig.2 On-site construction method

针对上述弧形中隔壁的单侧壁导坑法存在加工困难、施工速度慢等问题，采用竖直临时支撑代替弧形临时支撑，优化前后的隧道开挖工序如图3所示.

图3 开挖工序Fig.3 Excavation process

3 隧道施工过程有限元模拟

3.1 计算参数设计

假设隧道围岩为理想弹塑性，采用摩尔库伦模型[12]模拟围岩，支护结构选用弹性本构模型[13]，初期支护采用C25混凝土软喷加I22b型钢的方式支护，隧道二次衬砌不做考虑，锚杆采用直径22 mm的三级钢筋.另外，对采用I18和I22b型钢作为临时支撑材料的两个工况进行模拟对比，以考察材料型号对应力的影响.经查阅文献[14-17]可得各种材料的物理力学参数如表1所列.

表1 围岩及支护结构物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structures

混凝土中钢筋不再单独模拟，利用等刚度法换算为混凝土的综合弹性模量进行计算.计算公式[18]如下式所示.

E=E0+(Sg×Eg)/Sc

(1)

式中：E为计算后混凝土弹性模量，MPa；E0为原混凝土的弹性模量，MPa；Sg钢拱架截面积，m2；Eg为钢材弹性模量，MPa；Sc为混凝土截面积，m2.

3.2 数值模型建立步骤

为了对比弧形单侧壁导坑法和竖直单侧壁导坑法位移变形、受力特征及不同钢架型号中隔壁的影响，采用MIDAS GTS有限元软件进行模拟分析.选取清水驿至傅家窑公路上的桑园子隧道，对其施工过程中的4次连续开挖段进行研究，设定每次开挖进尺为1.5 m，总开挖进尺为6 m.根据圣维南原理，隧道工程施工对围岩影响范围约为3～5倍隧道最大跨径[19]，因此，竖向总高度取为125 m，隧道两边各取66 m，上部边界取至地表面.分别建立弧形与竖直中隔壁的数值模型如图4所示.

图4 弧形单侧壁导坑法模型和I22b竖直单侧壁导坑法模型Fig.4 Arc-shaped single sidewall pilot pit method and vertical single sidewall pilot pit method

将弧形和竖直中隔壁单侧壁导坑法的施工过程设为相同的施工步，将施工过程划分为49个施工步进行数值模拟，如表2所示.

表2 施工步骤Tab.2 Construction steps

建立的模型除中隔壁支撑不同外，其它施工方法均相同，因此对比时可忽略支撑构件之间连接的影响.

4 数值模拟结果与分析

4.1 隧道施工不同中隔壁的影响

分析隧道施工中两种不同结构中隔壁对整个施工的影响，以此验证竖直中隔壁在工程中的安全可靠性.隧道施工中围岩位移变化情况往往最能直接反应施工质量，并且位移最容易监测，但是在施工过程中，往往会受到现场环境的影响，导致不能完整地监测到施工阶段的围岩位移变化情况.而通过有限元软件进行数值模拟，则可观测到完整的数据，得到围岩在各个施工阶段的受力位移情况，故后续主要针对位移进行分析.

4.1.1不同中隔壁对围岩位移的影响

通过对比弧形中隔壁和竖直中隔壁隧道七个关键点(拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙、中隔壁和拱底)的位移进行分析，选取的7个关键点如图5所示.

图5 对比分析的七个关键点Fig.5 Seven key points for comparative analysis

在表2所列的49个施工步骤中，两种不同结构中隔壁隧道的7个关键点位移如图6所示，隧道最终位移云图如图7所示.

由图6和图7可以看出，拱腰及拱顶以上区域为沉降区，拱脚及拱底以下区域为隆起区.采用弧形中隔壁施工时沉降区在拱顶处达到最大值，为6.1 mm，隆起区在拱底处达到最大，其值为13.2 mm；而采用竖直中隔壁施工时拱顶处的最大沉降量为5.8 mm，拱底最大隆起值为11.8 mm.由左右边墙位移图可以看出，两种工况下的隧道水平相对位移最大值分别为2.7 mm和2.4 mm.表明在隧道施工过程中竖直支撑的围岩位移略小于弧形支撑，竖直支撑对于控制围岩变形更具优越性.

图6 七个关键点位移Fig.6 Displacement of seven key points

图7 隧道最终位移云图(m)Fig.7 The final displacement cloud map of the tunnel(m)

经比较中隔壁位移情况可得：弧形中隔壁位移变化速度相对较快，最大值为12.9 mm；竖直中隔壁变化相对平稳，最大值为5.9 mm，位移最大值减少了54%.从材料稳定性的角度来讲，变形太快不利于材料的自身稳定，故选用竖直中隔壁的支护结构受力更为合理.

4.1.2不同中隔壁对支撑构件的影响

为了进一步了解弧形和竖直单侧壁导坑法的异同，对两种工法下支护结构的受力特征进行分析，应力云图如图8～9所示.

图8 初支结构最大应力云图(kN/m2)Fig.8 Maximum stress cloud map of primary support structure(kN/m2)

图9 中隔壁最大应力云图(kN/m2)Fig.9 The maximum stress cloud map of the middle partition (kN/m2)

初期支护的应力最大值均出现在第49施工步，在拆除中隔壁支撑之后达到最大.两种支撑下初支结构产生的最大应力分别为29.87 MPa和30.45 MPa.由此可知，施工中竖直中隔壁的初支结构受力最大值与弧形中隔壁的相近，且都在安全范围内.表明施工中两种不同形状的中隔壁对初支结构最大应力值影响很小，竖直支撑可代替弧形支撑.

中隔壁应力最大值均出现在第12施工步，第一断面开挖完时受力达到最大，弧形中隔壁在施工中产生的压应力随着拱顶向拱底方向逐渐增大，并在拱底达到了最大，此时压应力为1.46 MPa.竖直中隔壁产生的压应力在整个中隔壁支撑结构上均匀分布，最大压应力值为51.37 MPa.表明相同材料下，弧形中隔壁在整个施工中产生的压应力比竖直中隔壁的小97.16%.可知，竖直比弧形中隔壁产生的压应力更大，反而在整个施工过程中产生的位移较平稳.该现象表明，在工程中竖直中隔壁有更好的自稳能力.

4.2 隧道施工中不同中隔壁型号的影响

从临时支撑结构的受力来看，在施工中竖直支撑明显比弧形支撑参与更多受力，为了确保临时支撑结构的安全稳定性，基于不同型号材料作为临时支撑对隧道施工的影响进行研究，在相同施工背景下，选取I18和I22b两种不同的型钢进行模拟，对比两隧道各个关键部位的变形情况及支护构件的受力特征.

4.2.1不同中隔壁型号对围岩位移的影响

选取如图5b所示的七个关键点的位移进行对比分析，分析结果如图10所示，图中A表示中隔壁采用I18型钢，B表示中隔壁采用I22b型钢，采用I22b型钢后隧道的最终位移云图如图11所示.

图10 两种型号中隔壁隧道七个关键点位移Fig.10 Displacement of seven key points of the two tunnel models

图11 I22b中隔壁隧道最终位移云图(m)Fig.11 The final displacement cloud map of the tunnel(m)

通过选取I18、I22b型钢来模拟不同型号中隔壁的稳定情况，结果表明不同型号中隔壁对隧道收敛和隆起的影响很小.选用I22b型钢材料产生的沉降略小于I18材料的沉降；采用I18中隔壁拱顶及左、右拱腰最大沉降分别为5.8、5.5、5.5 mm.采用I22b中隔壁拱顶及左、右拱腰最大沉降分别为5.7、5.4、5.5 mm.表明中隔壁采用不同型号的型钢对隧道变形影响较小，实际工程中常采用I18的做法是合理的.

4.2.2不同型号中隔壁对支撑构件的影响

为了解两种型号中隔壁(I18和I22b)对初期支护构件影响，将施工中两种中隔壁下隧道初支构件的最大应力图进行比较，如图12～13所示.

图12 隧道初支结构最大应力云图(kN/m2)Fig.12 The maximum stress cloud map of the primary support structure of the tunnel(kN/m2)

由图12可知，两种不同中隔壁材料施工下，应力集中都主要表现在拱顶、左右拱脚和拱底三个部位，且均在第49步施工步时达到最大值，I18和I22b型钢中隔壁的隧道初支产生最大应力分别为30.45 MPa和30.47 MPa.表明不同型号的中隔壁对隧道初支结构应力最大值影响较小.

由图13可知，两种不同型号的竖直中隔壁均在第12施工步时应力达到最大，且在整个支撑上应力均匀，I18型钢中隔壁支撑产生最大应力为51.37 MPa；而122b型钢中隔壁支撑产生的最大应力为39.51 MPa.由此可知，相同材料和工况下，采用I22b比采用I18型钢中隔壁支撑产生的最大应力减小了23.09%，表明在相同工况下，增大中隔壁支撑型号可有效降低自身产生的最大应力值.

图13 中隔壁支撑最大应力云图(kN/m2)Fig.13 The maximum stress cloud map of the middle partition support(kN/m2)

5 现场监测与模拟数据对比分析

选取桑园子隧道弧形中隔壁单侧壁导坑法施工段(YK34+195～YK34+225)的拱顶，左、右拱腰及左右边墙进行监测，得到了各关键位置的位移数据，将其数据与弧形中隔壁数值模拟结果进行对比，验证模拟结果的可靠性.

5.1 现场监测布置

侧壁导坑法施工将隧道分为左上导洞和右上导洞，采用全站仪和收敛计，分别对其拱顶，左、右拱腰和左、右边墙位置进行变形监测，共计8个测点，测点布置如图14所示，最终选取1、2、3、7、8号点进行分析.

图14 隧道施工断面观测点示意图Fig.14 Schematic diagram of observation points of tunnel construction section

5.2 监测结果分析

现场监测的沉降及水平收敛结果如图15～16所示.

图15 隧道施工沉降曲线Fig.15 Settlement curve of tunnel construction

由图15可知，桑园子隧道受开挖影响，拱顶及左、右拱腰沉降在0～21 d内缓慢持续增大.可将其划分为三个阶段，分别为前4 d内的快速沉降阶段，5～12 d内的持续沉降阶段和13～21 d的缓慢沉降阶段，其最大沉降值分别为22 mm、18 mm、15 mm，而最大沉降速率分别为4 mm/d、3 mm/d、3 mm/d，均在安全可控范围内.

由图16可知，受开挖影响，隧道左、右边墙收敛在0～21 d内持续增加，可将监测数据大致划分为四个阶段，分别为快速增长阶段、平缓增长阶段、快速增长阶段、平缓增长阶段，其最大值为2.93 mm，而最大收敛速率为0.39 mm/d，均在安全可控范围内.

图16 隧道施工水平收敛曲线Fig.16 Horizontal convergence curve of tunnel construction

5.3 监测结果对比

将现场监测段(YK34+195～YK34+225)与模拟开挖6 m隧道的位移数据进行对比，如表3所示.

表3 监测结果与模拟数据对比Tab.3 Comparison of monitoring results and simulation data

由表3可知，现场实测值大于模拟值，主要由于现场施工存在时空效应的影响，其段落与监测时间较长；而数值模拟施工为瞬时开挖与支护，且模拟的段落较短，故位移较小.但水平收敛处于同一数量级.从整体规律上可以看出拱顶的沉降>左拱腰沉降>右拱腰沉降，且整体沉降值大于水平收敛值，实测结果与模拟结果规律一致，表明数值模拟的结果较可靠.

6 结论

本文以在建G312线清水驿至傅家窑公路上的桑园子隧道为依托，通过数值模拟与现场实测的方法对弧形和竖直中隔壁单侧壁导坑法进行了对比分析，并考虑了采用不同型号钢架的中隔壁支撑对隧道位移和受力的影响，得到如下结论：

1) 将中隔壁由弧形改为竖直，不仅改善了作业空间，使机械进场更为方便，还有效提高了工程施工效率，并且在安装、拆卸和降低工程造价等方面更有优势.

2) 单侧壁导坑法施工过程中，竖直与弧形中隔壁相比，受力作用效果提高了97.16%，减小了拱顶的沉降和拱底的隆起，并且竖直中隔壁结构比弧形更加稳定，最大位移可降低54%.

3) 采用竖直中隔壁时，两种不同型号钢架的中隔壁对隧道的位移和支撑构件受力结果表明，型钢采用I22b相比采用I18的中隔壁，受力最大值可有效降低23.09%.

4) 通过现场实测数据与模拟结果对比分析，得到其整体变形规律一致，符合大断面隧道变形规律，表明本文分析结果具有较高的可靠性，采用竖直中隔壁替代弧形具有可行性.