复杂条件下浅埋隧道双侧壁导坑法施工方法优化研究

复杂条件下浅埋隧道双侧壁导坑法施工方法优化研究

王壬戍

王壬戍

广东冠粤路桥有限公司511100

摘要：本文结合某高速公路隧道为工程背景，利用有限元数值仿真技术对泥岩条件下浅埋隧道双侧壁导坑法及其优化方法进行模拟计算，综合对比了各种施工方法中结构及围岩的受力特性。然后以施工安全性为基础，结合施工进度、施工机具配置、施工难易程度等多方面因素，以提高经济性、加快施工速度为目的，针对泥岩条件下浅埋段的双侧壁导坑法进行精细化研究，提出了优化的施工方法。供参考！

关键词：隧道工程；双侧壁导坑法；有限元分析；优化；泥岩

1、工程概况

某高速公路隧道起讫桩号为K33+910一K35+190，单洞长度为1280m，地层主要由II～III级自重湿陷性黄土状土混合卵石和碎石等组成，厚20～30m；下部为泥岩，全、强风化厚5～10m。围岩级别均为V级强、中风化泥岩。隧道浅埋段原设计的施工方法为双侧壁导坑法。但是双侧壁导坑法本身的劣势是：施工工序多，速度较慢，施工干扰大，成本较高。因此，结合本项目工程实际，在原设计的基础上，从双侧壁导坑法细部设计上进行优化研究，拟在保证施工方法稳定性优势的同时，尽可能提高施工速度和降低施工成本。

2、双侧壁导坑施工方法优化

2．1施工方法优化思路

依据设计资料和现场施工实际情况，针对隧道浅埋段原设计施工方法提出以下优化思路。

1）适当减小中间岩柱的体积，相对于初始设计方法适当提高围岩的自承能力，便于中间岩柱中下部台阶一次性开挖。

2）相对于初始设计方法适当增加左、右导坑的尺寸，便于提高导坑的机械化施工程度。

3）仰拱紧跟拆除临时支护工序进行，便于使用机械，提高施工速度。

由此提出几种改进方法进行对比分析如下：①方法1原始设计的双侧壁导坑法（见图1a）；②方法2中间岩柱顶部宽度变小的双侧壁导坑法（见图1b）；③方法3中间岩柱中部宽度变小的双侧壁导坑法（见图lC）；④方法4针对方法3提前拆临时支护，再做仰拱的双侧壁导坑法（见图1C）。初始设计双侧壁导坑法中，中间岩柱尺寸为：上部宽9．86m，中间部位宽4．65m。结合现场施工情况及机械设备，拟定方法2的中间岩柱上部尺寸在设计基础上减小3m；方法3和4的中间岩柱中间部位的尺寸在设计基础上减小1．5m。

由图1和表1可知，方法2～4相对于方法1都减少了1个施工步序（中间只分2个台阶），且增加了作业区域，便于相对大些的机械作业，提高了日进尺量。而方法4相对于方法2和3提前拆除了临时支护，这样在施作仰拱时增加了施工作业空间，更便于机械施工，增加了日进尺。

3、各施工方法数值仿真分析

3．1计算模型

浅埋段隧道埋深取20m，隧道断面为三心圆断面，断面宽17m、高11．89m，围岩为V级，模型范围为：左、右两侧各取隧道开挖跨度的3倍（51m），底部取隧道开挖高度的3倍多（40m），隧道锚杆加固区深度取4m，初衬厚30em，二衬厚60cm，临时支护厚20cm。模型上边界取自由边界，左、右两侧边界加水平约束，底部边界施加固定约束。计算模型如图2所示。

3．2计算参数选取

通过ANSYS软件对隧道开挖过程进行平面应变分析，采用应力释放法和软件中的“生死单元”功能模拟隧道施工过程。围岩采用理想弹塑性模型，服从Drucker．Prager准则，支护采用弹性模型。锚杆加固效应通过提高加固区围岩材料参数进行模拟。仿真分析计算所采用的计算参数如表2所示。

表2材料参数

3．3各施工方法计算结果与分析

3．3．1计算结果

1)临时支护受力情况

隧道开挖过程中，隧道临时支护主要起支撑作用，受力主要表现为受压。

由各工法中l临时支护最大压应力出现时的支护应力可知：①临时支护受力由大到小依次为方法1（11．1MPa）>方法2（9．86MPa）>方法3，4（8．04MPa）；②方法l，3，4临时支护的最大压应力均出现在中间岩柱中下台阶开挖之前，而方法2出现在中间岩柱全部开挖之后；③方法l，3，4临时支护的最大压应力出现在临时支护的最顶端，而方法2的最大压应力出现在临时支护的最底端。

2）初期支护受力情况

经过对初期支护受力分析，初期支护主要受压。由各工法初期支护受力情况可知：①4种方法中初期支护最终的最大压应力均出现在仰拱脚部位；②方法1～4的最大压应力依次为7．93，8．16，8．10，8．09MPa，方法1最小，但4种方法差别不大，且均在初期支护材料的抗压强度之内；③方法3和4的初支最终应力很接近，两种方法的初支应力均在拆除临时支护计算步时有较大增加。

3）围岩塑性区情况

围岩塑性区体现了施工过程中围岩受力的好坏及围岩稳定性，这里分别对两侧导洞开挖后（第9计算步）中间岩柱围岩塑性区和二衬后（第16计算步）围岩塑性区进行了分析。

由各工法中间岩柱塑性区对比可知，随着中间岩柱体积的减小，改进方法中问岩柱的塑性区面积均有所增大，但增大面积不大，且中间岩柱的塑性区均未贯通，中间岩柱能很好地发挥控制围岩变形作用。

由各工法围岩塑性区对比可知，方法1中围岩最终的塑性区面积相对最小，但4种方法的塑性区面积都较接近。

4）围岩变形情况

各工法施工过程中，拱顶沉降及周边收敛曲线分别如图3，4所示。

由图3，4可知：①4种双侧壁导坑法的围岩变形量比较接近，拱顶累计沉降约2．65mm，最大周边收敛值约为1．6mm，可见4种方法围岩变形控制能力都较强，有较高的施工安全性；②相比较而言，方法2的围岩变形控制能力要差一些，虽然拱顶沉降控制很好，但周边收敛变形相对较大。

3．3．2计算结果分析

通过对以上计算结果的对比分析可知，4种双侧壁导坑法都有很好的围岩变形控制能力，施工安全性较好。但4种方法也有各自的特点，综合可得：①方法1的临时支护对围岩支撑作用最大，施工过程中，其临时支护受力大，围岩塑性区面积最小；②方法2～4都在一定程度上提高了围岩的自承能力，这3种方法临时支护受力相对较小，但围岩变形相对于方法l要稍大一点；③方法2对周边收敛变形的控制能力差，施工稳定性最差；④由于围岩自承能力的提高，方法4相比于方法3的围岩稳定性相差不大。

4、方法4施工效应分析

基于以上分析，隧道浅埋段采用优化的方法4进行开挖。结合隧道浅埋段实际施工方法（方法4）现场监测数据，与计算模拟结果进行对比，如图5所示。图中数字9～14分别对应数值模拟中的计算步数。

由图5可知，由于有核心土的作用，拱顶沉降主要发生在中间岩土开挖之后，数值模拟最大拱顶沉降量为2．6739mm，实际监控量测最大拱顶沉降为4．56mm。

通过数值模拟分析与现场监控数据可知，优化的双侧壁导坑法（方法4），即在常规双侧壁导坑法基础上，减小中间岩柱中部宽度，并在中间下部仰拱施作之前提前拆除临时支护的方法，安全可靠。

5、结语

1）针对双侧壁导坑法施工断面小、施工速度慢的劣势进行精细化研究，提出了“减小中间岩柱中部宽度，并在中间下部仰拱施作之前提前拆除临时支护”的优化双侧壁导坑法，该方法相对于未优化的方法能适当提高围岩自承能力，在确保开挖安全的前提下，增加导洞开挖的断面面积，提高了机械化开挖程度。

2）通过现场施工效果验证了优化的双侧壁导坑法的可行性和施工稳定性，该方法既具有双侧壁导坑法施工安全、稳定性高的特点，又一定程度上提高了施工速度，施工效果较好。

3）在实际工程中，采用优化的施工方法施工时，可依据动态监控量测结果及现场施工情况对施工优化参数进行优化调整，以提高施工安全水平和降低工程成本。本文为类似隧道施工方法的优化提供了参考和思路，丰富和完善了特大断面隧道施工技术。

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