扁平大断面隧道双侧壁导坑法施工受力分析及技术探讨

扁平大断面隧道双侧壁导坑法施工受力分析及技术探讨
发表时间：2019-07-05T11:04:53.557Z 来源：《基层建设》2019年第11期作者：郭胜涛
[导读]
中铁一局集团有限公司陕西西安 710000
引言：本文根据贵阳市建设的黔春大道黔灵山隧道的工程实践经验，采取工程类比与理论相结合的方式，在分析四车道大断面隧道力学特性、断面结构、施工方法、稳定性的基础上，从经济、安全、技术方面对隧道施工方案进行优化，研究适合西南地区喀斯特地貌四车道大断面隧道的施工方法。

1、工程概况：
贵阳市黔春大道1.5环黔灵山隧道，起于南垭路路口，止于黔灵湖大桥，左洞1039m，右洞1018m（IV级围岩长度71%、V级围岩长度29%），为双向八车道小净距隧道。

为三心圆曲墙结构，扁平率0.65，内轮廓拱顶高9.15ｍ，净宽18.5ｍ，最大开挖断面255m2，最大开挖高度14m，最大宽度21.65m。

隧道建筑限界18.25x5m。

左右洞隧道进口端分别位于半径592m，632m的平面圆曲线上，出口端均为直线，隧道左右洞最小净距12m。

纵坡设计为“人”字型双向坡，由小里程至大里程坡度分别为+2.95%和-0.3%。

进出口洞门采用端墙式洞门，是目前贵州省最大跨度城市隧道。

图1 隧道结构断面图
2、水文气候地质
本隧址位于贵阳市云岩区黔灵山，属于高原亚热带气候特征，隧道穿越区域为残坡积台地及低山丘陵，支沟较发育，山体与隧道呈近似直角，边坡坡度约10°～35°，坡面植被茂盛，地表水体不发育，地下水的分布情况较复杂。

覆盖层由第四系坡残积土构成，岩层产状为307°∠75～317°∠85°，洞轴线走向与岩层走向夹角为34°。

基岩为灰岩及白云岩岩，岩体风化差异很大、节理裂隙发育、节理倾向变化较大、多呈张开状，多为泥质充填，胶结差，岩体总体较破碎。

3、施工方案
根据新奥法设计与施工技术原理大断面扁平隧道开挖，常采用环形分部开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁法等分部开挖法。

现场施工时根据具体情况以一种方法为主，再辅以其他方法达到控制围岩稳定的目的。

黔灵山隧道IV、V级围岩开挖范围设计采取双侧壁导坑法开挖（软弱围岩处上导坑结合短台阶法分为多次开挖），初期支护采用双层结构，分次施工的方式，保证二次衬砌形成强度之前围岩及隧道结构稳定。

⑴双侧壁导坑法施工工序
施工开挖过程：
①、开挖左侧上导坑；
②、施工左侧上导坑初期支护（含临时支护、仰拱、锁脚）；
③、开挖右侧上导坑；
④、施工右侧上导坑初期支护（含临时支护、仰拱、锁脚）；
⑤、开挖中部导坑上台阶；
⑥、施工拱部第一层初期支护；
⑦、开挖中部导坑中台阶；
⑧、施工临时仰拱；
⑨、开挖左侧下导坑；
⑩、施工左侧下导坑初期支护（含临时支护、锁脚）；
⑪、开挖右侧下导坑；
⑫、施工右侧下导坑初期支护（含临时支护、锁脚）；
⑬、开挖中部导坑下台阶；
⑭、施工中部导坑下台阶第一层初期支护；
⑮、仰拱第二层初支、仰拱及回填施工；临时支护拆除，拱墙部第二层初期支护施工；安装防水结构层，绑扎钢筋二次衬砌混凝土拱墙整体浇筑。

图2 隧道双侧壁施工工序图
拆除临时支护必须在围岩和初期支护变形稳定后进行，拆除时及时掌握变形情况，一次拆除的长度应根据量测结果调整（结合监测数据按4m，2m，1m的间距拆除，确保一次能施做长度不大于6m）。

必要时可采取措施对初期支护进行局部加强，同时尽早将二衬封闭成环、已策安全。

4、大断面隧道基本力学特征及受力分析
正确分析计算围岩受力是隧道结构的稳定性的前提保证。

对于大断面隧道，为保证隧道内空间的利用效率，只有降低压扁率才能实现，这将对围岩的稳定性和结构的稳定性产生很大的影响，特别是在自重应力为主的情况下，对拱结构的形状影响更大。

隧道开挖前，以自重应力和构造应力主构成围岩的原始受力状态，其在不同方向传递，使得围岩中原始受力始终处于三维应力平衡状态。

当在开挖隧道后，破坏了隧道周围岩体的原应力平衡，应力向二维应力转变。

同时由于隧道上部岩体失稳，隧道顶部岩体的重力传递到隧道侧壁，使侧壁岩体的垂直受力增加；原岩体传递的水平力，由于开挖断面的形成，使隧道顶、底板的水平应力发生变化，直到出现扰动岩体出现新的应力平衡。

基于大断面隧道的基本力学特性，以本隧道双侧壁导坑法开挖为例，采用有限元法对大断面隧道开挖过程中的荷载进行了模拟，同时根据施工过程中隧道监测数据分析。

⑴拱顶围岩压力特征
在大断面隧道施工过程中，拱顶出现破碎围岩区，受自身重力影响沉降较大，形成拱顶拱形塌落区，拱形塌落区自身状态也处于不断发展的过程。

首先，如果导坑开挖后初期支护及时，由于侧压力系数大，两侧墙支护抵抗，拱顶下沉量小。

此时由于核心土的存在，塌落拱范围的围岩扰动形变也很小，对围岩的自承载能力起一定作用。

其次，核心土开挖后整体结构面形成，拱顶由于不受核心土支撑呈拱形，两拱脚分别落到拱肩支护结构和侧墙的岩体上，使拱肩的围岩压力增大。

同时作用在拱顶上的岩体体积较小，拱顶上的围岩压力较小。

基于以上两方面原因，对于双导洞和全断面的大断面隧道，由于崩塌拱的产生，崩塌拱中的围岩压力才是拱顶围岩压力和拱肩压力，而拱肩压力则是围岩压力和弹性抗力的组合，最终拱顶围岩压力小于两拱肩的情况。

拱顶围岩开挖过程中塌落拱发育情况见图3和图4
图3、双导洞开挖后塌落拱的发育状况图4、核心土开挖后塌落拱的发育状况
⑵侧壁围岩力学特性
①导洞开挖过程中的侧壁围岩力学特性
导洞开挖过程中，由于支护结构水平承载力较弱，支护结构的位移主要为水平收敛，作用于支护结构两侧的侧向压力对支护结构的稳定有重要影响。

围岩破碎段，侧压力系数较大，开挖卸荷无变形压力，垂直向应力为最大主应力。

在浅埋段，当围岩较为破碎，上部作用仅为松散压力时，不同的断面扁平率结构对周边围岩应力的变化影响较大。

②大断面形成后的侧壁围岩力学特性
大断面隧道支护结构施工后，在底部围岩和两侧边墙产生弹性抵抗阻力，以平衡支护结构传递的围岩压力。

根据变形监测数据，隧道拱顶沉降量较大，两侧壁逐渐远离，不可避免地对围岩产生压应力。

围岩抵抗力是支撑结构受力变形所引起，其性质与支护结构的变形有关，其对支护结构的稳定有着重要影响。

围岩抵抗反力又和围岩性质、支护与围岩接触紧密程度等有关。

尽管其是一种被动力，但仍然是支护结构的外部荷载，正常情况下，它总是沿着较小的围岩压力方向分布，使外部荷载均匀。

围岩反力的增加有利于保持支护结构的稳定性，减小支护结构的弯矩，有利于支护结构的工作，应得到充分利用。

⑶核心土岩体力学特性
核心土能显著改善开挖面的稳定性，能显著减小围岩水平位移，防止开挖面前方围岩垂直变形。

核心土开挖扰动及受力状态如图5和6所示。

图5、导坑开挖后核心土扰动区示意图图6、核心土受力状态简图
核心土的本身强度及核心土临时支护强度是影响中导坑核心岩体稳定关键。

正常情况下，边墙岩体受力发生破坏，高应力区向岩体深部扩散，应力集中的情况得到减弱。

而在核心土受力的作用下，由于其宽度小，剪切面相交，强度降低，更有可能引起围岩失稳，此时支护结构要有足够的强度。

核心土剪切受力情况见图7。

图7核心土剪切面示意图
⑷底部围岩力学特性
支护结构底部围岩压力是开挖卸荷后围岩的膨胀变形压力，是真实的地层压力。

形变压力的确定与围岩本身的特性有关。

当围岩相对破碎且无膨胀特性时，在施加仰拱前释放围岩形变压力（此时底部围岩的变形压力可以忽略不计），在荷载计算时，底部围岩作用在仰拱上的力只是弹性阻力，可采用均布弹性抗力。

当围岩较为完整或底部有膨胀受力，卸载后有形变压力时，需考虑围岩压力。

隧道底部围岩力学特性主要表现为隧道底部鼓起，也是影响软岩隧道围岩变形破坏的主要途径之一。

图8、双侧壁变形、内力和应力主要最不利图示
图⑦锚杆轴力图
5、结论与建议
对于扁平大断面隧道在高度基本不变，宽度增大，受力结构中可近似为椭圆形，同时结构内应力重分布对结构稳定性不利。

长轴两端压应力集中较大，短轴两端拉应力集中，容易造成围岩失稳，应力集中度与围岩侧压力系数与椭圆长、短轴线的比值相关。

扁平率太小，围岩存在大面积塑化，隧道顶部下沉、底板隆起、拱腰处应力集中等造成结构变形严重，稳定性差。

断面开挖宽度、高度越大，围岩能产生拱效应所需的埋深越大，如果埋深小，围岩就会产生很大的松弛压力。

通过开挖过程中洞内外监控量测及模拟对比结果表明，扁平大断面隧道采用双侧壁法施工开挖断面数多，卸荷次数多，对围岩的扰动次数增多，全断面初期支护闭合时间长。

但开挖后各块一次应力释放小且都是立即各自闭合，最大限度地保持围岩自身稳定性，较好地控制了变形，安全性有保障，在大断面、围岩情况差、地表变形要求高的隧道施工中具有良好的安全控制效果。

对于采用双侧壁导坑法进行隧道开挖施工怎样提高两侧上导坑开挖工效是我们需要继续解决的一大问题。

建议：扁平大断面隧道工程需要采取强有利的支护措施，同时需保证底脚地基承载力及仰拱结构的施工质量控制，否则如果拱顶和仰拱变形严重，则应力集中在墙腰处，很容易形成一个大的剪切破坏区，造成隧道结构失稳。

在不同支护体系转化过程中需遵循“就高不就低的”原则，转换过程中采用断面逐渐渐变的方法。

岩溶地区大断面隧道地质具有多样性和复杂性等特点，因此施工过程中受力结构也具有复杂性，应加强前期勘察工作，在此基础上建立符合特定工程的相关力学理论预测模型，开挖过程中尽可能采取控制爆破技术，不破坏围岩的稳定性并进行灾害预测预报工作。

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