大跨度黄土隧道施工方法的对比分析与数值模拟

摘 要：以神府高速墩梁大跨度黄土隧道工程为依托，总结了三台阶七步开挖法和双侧壁导坑法的施工工序，并结合有限元数值模拟分析，对两种方法进行研究。结果表明：双侧壁导坑法可有效控制围岩变形和沉降，但工序繁杂，施工进度慢；三台阶七步开挖法可有效提高施工效率，加快施工进度，但不能有效控制沉降。

关键词：黄土隧道；数值模拟；沉降；变形

中图分类号：U455.4 文献标志码：B

0 引 言

随着公路建设的飞速发展，在路线车道数的选择中，以多车道代替双车道对于缓解交通压力更为有利，于是出现了很多大跨度隧道[15]。

相对于普通隧道的施工方法来说，大跨度隧道的施工因其断面大、跨度大、扁平率更小，所以隧道的受力更为复杂。目前，随着大跨度隧道逐渐增多[67]，对大跨度隧道施工方法的研究受到了业界人士的关注。主要的施工方法有两种，即三台阶七步开挖法和双侧壁导坑法，而对于这两种方法的特点与适用性的研究相对较少。为此，本文以神府高速墩梁大跨度黄土隧道工程为依托，对大跨度黄土隧道的两种施工方法进行对比研究，以确定哪种方法最优。

1 工程概况

墩梁隧道衬砌断面内轮廓采用三心圆方案。上行线起止桩号为RK25+705～RK27+120，全长1 415 m；下行线起止桩号为RK25+705～RK27+120，全长1 328 m，总计全长2 743 m。整个隧道均为V级围岩，隧道支护体系结构均为复合式衬砌，二次衬砌拱部厚度为06 m。深埋段开挖高度为1216 m，宽度为1726 m，面积为1652 m2。浅埋段开挖高度为1219 m，宽度为 1731 m，面积为1704 m2。设计时速为80 km·h-1，建筑限界有效净宽为1425 m，净高为52 m。

2 施工方法对比分析

2.1 三台阶七步开挖法

三台阶七步开挖法的施工步骤如图1所示，具体如下。

（1） 上部弧形导坑开挖。环形开挖上部弧形导坑应在拱部超前支护后进行，预留核心土宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，核心土长度宜为3～5 m。根据初期支护钢架间距来确定开挖循环进尺，应控制在15 m以内，上台阶开挖矢跨比应大于03，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，并及时进行喷、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上60 cm高度处，按下倾角60°紧贴钢架两侧边沿打设锁脚锚杆，钢架与锁脚锚杆牢固焊接，最后复喷混凝土至设计厚度。

（2） 左、右侧阶开挖。根据初期支护钢架间距来确定开挖循环进尺，应控制在15 m以内，左、右台阶错开2～3 m，开挖高度一般为3～35 m。

（3） 左、右侧下台阶开挖。左、右侧下台阶开挖工序与左、右侧阶开挖工序一致。

（4） 上、中、下台阶预留核心土开挖。各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺应与各台阶循环进尺一致。

（5） 隧底开挖。每循环开挖长度宜为2～3 m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成隧底开挖、支护循环后，及时分段施作长度为4～6 m的仰拱。

2.2 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法的施工步骤如图2所示，具体如下。

（1） 左导洞（先行导洞）上台阶开挖。采用正台阶法开挖，每次开挖进尺0.5～0.75 m，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时架设钢筋网和型钢拱架，及时安设边墙锚杆和锁脚锚杆，随后喷射混凝土至设计厚度，以便形成较为稳定的支护体系。

（2） 左导洞下台阶开挖。导洞下半断面与上半断面前后错进15～20 m，开挖左导洞下台阶的临时支撑和左边墙（临时支撑比左边墙晚进一榀拱架），每次进尺1.0～1.5 m，这样可以避免同一断面的开挖面同时暴露。

（3） 右导洞上台阶开挖。采用正台阶法开挖，开挖完成后的施工工序与左导洞上台阶开挖工序一致。

（4） 右导洞下台阶开挖。分别开挖右导洞下台阶的临时支撑和右边墙（临时支撑比右边墙晚进一榀拱架），每次进尺1.0～1.5 m，这样可以避免同一断面的开挖面同时暴露。

（5） 主导洞上台阶开挖。主导洞拱部开挖前先测量画出开挖轮廓线，延开挖轮廓线打设超前小导管注浆加固，开挖后钢筋网和型钢拱架及时架设，边墙锚杆和锁脚锚杆及时安设，随后喷射混凝土至设计厚度，以便形成较为稳定的支护体系。

（6） 主导洞下台阶及仰拱开挖。开挖后型钢拱架及时架设，随后初喷混凝土至设计厚度，以便形成较为稳定的支护体系。

2.3 两种工法对比分析

（1） 在资源配置相同的情况下，三台阶七步开挖法施工每循环进行两榀，一榀0.75 m，26 h可以完成两个循环，每月最高进度指标为80 m，平均每月进度为76 m；双侧壁导坑法施工每循环0.6 m，每天可完成2个循环，每月最高进度指标为42 m，平均每月进度为36 m。

（2） 与双侧壁导坑法相比，三台阶七步流水法开挖施工技术可节省大量临时钢架施工支护费用，减少了投资。

（3） 根据现场实测数据，墩梁隧道在围岩级别相同的条件下，采用三台阶七步开挖法开挖拱部下沉值为90～120 mm，而采用双侧壁导坑法施工拱部下沉值仅为 30～50 mm。

3 数值模拟及分析

根据墩梁隧道设计情况，隧道总高1216 m， 净宽1726 m。将数值计算模型解析区域设为：竖向向下取隧道高度的5倍，左、右各取隧道直径的5倍，向上取至原地面线。在所取范围之外可认为不受开挖等施工因素的影响，即在这些边界处可忽略开挖等施工所产生的位移和应力。同时，保证模型不出现刚体转动及位移。

因隧道属于深埋段且无构造节理影响，故按初始自重应力场来考虑地应力。为了使得计算结果更可靠，在隧道内及其周围采取细密网络划分，采用4节点结构单元K线面映射网络划分模型网络。计算的主要内容为各个施工步隧道的拱部下沉与水平收敛。

3.1 三台阶七步开挖法数值模拟

对墩梁隧道采用三台阶七步开挖法进行数值模拟，其局部模型网格划分如图3所示。

（1） 净空收敛。初期支护封闭后隧道净空收敛计算结果如图4所示。

（2） 拱部下沉。初期支护封闭后隧道拱部下沉值计算结果如图5所示。

通过有限元数值模拟，在围岩级别等各种施工环境相同的条件下，采用双侧壁导坑法有效控制了隧道的下沉值与净空收敛值，而三台阶七步开挖法下沉值与净空收敛值均较大，说明在大跨度黄土隧道中采用双侧壁导坑法对于控制围岩变形更加有效。

4 结 语

（1） 侧壁导坑法是黄土隧道施工中最能有效控制沉降的工法，适用于松散易塌的软弱土层地段，这方面控制的重点是仰拱的及时封闭成环和左右侧壁永久支护拱架的对应，但由于其工序繁杂，故施工难度大、工期长、造价高。

（2） 三台阶七步开挖法主要适用于土体节理水平、稳定性较好的土层地段，其优点是工序流水作业能有效提高工效，加快施工进度，缺点是不能有效控制沉降。

（3） 有限元数值模拟结果表明，在围岩级别等各种施工环境相同的条件下，采用双侧壁导坑法有效控制了隧道的下沉值与净空收敛值，而三台阶七步开挖法下沉值与净空收敛值均较大，说明在大跨度黄土隧道中采用双侧壁导坑法对于控制围岩变形更加有效。

参考文献：

[1] 林镇洪.单边扩帮特大跨公路隧道开挖稳定性分析[J].铁道科学与工程学报，2009，6（4）：4650.

[2] 夏保祥，程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述[J].地下空间，2002，22（4）：360366.

[3] 王梦恕，谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术[J].中国工程科学，2010，12（12）：410.

[4] 何开伟.超大跨隧洞洞口破碎围岩段施工[J].西部探矿工程，2007（2）：126128.

[5] 李国良.大跨黄土隧道设计与安全施工对策[J].现代隧道技术，2008，45（1）：5362.

[6] 曲海峰.扁平特大断面隧道修筑及研究概述[J].隧道建设2009，29（2）：166171.

[7] 陈建勋，轩俊杰，乔 雄.浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用的数值模拟[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（1）：5962.