复杂地质条件下三线车站隧道施工方案优
化研究
摘要： 针对王岗山隧道出口段三线车站隧道断面施工前期CRD与台阶法施工存在拱顶下沉与收敛变形过快过大，断面拱顶下沉和收敛变形速度达到3～5 mm/d，日最大下沉和收敛值为4.7 mm和4.8 mm，15 d内累计下沉109 mm、收敛53 mm，且下沉、变形还在进一步发展中，存在围岩侵入设计限界的问题，通过现场调研，分析大变形产生的主要原因在于埋深浅、跨度大、扁平率低、穿越辉绿岩侵入岩与沉积岩的混杂带，岩体破碎，岩质软弱、易滑。提出优化施工方案，采用双侧壁导坑法施工，优化超前和初期支护措施，并制定详细的施工步骤。实际监测结果显示，该优化施工方案有效地控制了围岩变形，初期支护达到了较好的效果，收敛和拱顶下沉基本未突破预留值，保证了施工安全，为按时完成隧道施工提供了保障。
关键词： 大断面隧道； 浅埋偏压； 软弱围岩； 双侧壁导坑法； 监控量测； 方案优化
0 引言
随着我国铁路建设的快速发展，隧道长度、跨度越来越大，长度10 km以上、开挖断面100 m以上的铁路隧道大量涌现，部分隧道开挖断面高达150～
2
180 m。如包西铁路洞子涯隧道开挖断面143.65 m、兰渝铁路胡麻岭隧道和武
2
2
广客专浏阳河隧道开挖断面达160 m
2[1-3]
。大断面隧道常用的施工方法有台阶法、
台阶分部开挖法、中隔壁法、单侧壁及双侧壁导坑开挖法等，施工方法的选择对大断面，尤其是软弱地层大断面隧道的施工安全至关重要。为保证大断面隧道施
工的安全、进度、造价成本，很多学者针对不同工程实例研究了大断面隧道的施工方案。
李新志等结合青州至临沭高速公路穆陵关隧道，分析了三台阶七步施工法
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下隧道地表沉降的变形特性，并得到了变形规律； 李云刚采用FLAC3D软件
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模拟了不同工法下软岩大断面隧道的变形情况，建议软岩大断面隧道优先选用CD或CRD工法； 关岩鹏等对桃树坪隧道出口段进行了数值模拟，分析了新
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意法施工参数对于隧道变形的影响，并提出针对软岩大断面隧道的施工方案； 于宝军针对乌蒙山二号隧道出口段四线车站隧道实际施工情况，对整体二次衬砌
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进行了研究，提出了关键施工技术； 许瑞宁等从隧道围岩变形时空效应特征角
[8]
度，对比分析昔格达组地层在不同施工工法中的变形响应； 李讯等通过采用数
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值模拟和现场监控相结合的方法，研究浅埋超大断面隧道的破坏形态、开挖工法、施工参数及支护体系力学特性； 依托简浦高速公路长秋山大断面隧道
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工程，运用有限差分软件FLAC3D分析了不同地表倾角下台阶长度对隧道洞周位移的影响规律； 汪雄选取交叉中隔壁(CRD)法、弧形导坑法、大拱脚三台阶
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法3种施工方法，在浅埋、软弱围岩段进行开挖模拟与分析； 崔乐健结合新
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考塘铁路隧道出口段工程地质条件, 对超大断面隧道变截面软弱围岩段施工方法进行了研究。
还有学者通过多种方案比选，提出了更加合理的施工方法。张耀辉依托西
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成客专老安山隧道出口大跨段工程，通过理论与有限元分析，证明设计提出的双侧壁导坑法是可行的，但为加快施工进度、降低工程成本，提出四台阶结合双侧壁导坑法，也可满足施工需要； 史志军在分析大断面隧道施工特点的基础上，
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总结出3种施工方法，并结合某工程实践，提出软弱地层大断面隧道施工方案的
优化及施工技术； 袁矫等、万飞等以兰海高速马林隧道工程穿越不整合接触
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[16]
带段为背景，采用数值模拟手段，对比分析隧道跨度和隧道与接触带竖向距离变化对隧道稳定性、不同的导洞开挖顺序、掌子面间距及循环进尺对围岩变形的影响，结果表明，选用合适的开挖顺序可以明显减小围岩变形量； 朱卫东通过三
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维有限元模拟，对比分析了王岗山隧道三台阶与双侧壁导坑不同施工方法以及不同进尺、初期支护强度下围岩的变形情况，说明双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的初期支护及围岩变形，并指出采用双侧壁导坑法施工时，开挖进尺应控制在4 m左右为宜。
以上学者采用数值模拟的方法从理论上分析了大断面隧道各开挖方案的优缺点，优化了施工方案，并根据现场实测进行验证，研究较为详实，也说明在具体工程中，通过结合工程现场分析优化施工方案，对于提高工程的施工进度和施工经济合理性具有重要的工程意义。本文依托玉磨铁路王岗山出口段浅埋三线大断面隧道施工实践，针对CRD与三台阶加临时仰拱开挖法施工中遇到的大变形问题，结合现场调查、监测结果和理论分析，通过调整支护参数、改变开挖方法等，研究采用双侧导坑法控制大断面浅埋隧道拱顶下沉和水平收敛，为隧道后续工程施工提供保障。
1 工程概况
王岗山隧道起讫里程为PDK144+500～PDK158+008，全长13 508 m，设计时速160 km，客货共用双线隧道，间距4.2～5.118 m。其中，出口段1 124 m为车站段，按三线隧道设计。为满足施工工期、施工通风、防灾救援等需要，全隧设1座横洞+3座斜井+1处平导共5处辅助坑道，正线和平导间线间
距35 m，在距洞口430 m范围内按60 m/处设置7处横向救援疏散通道。王岗山隧道出口段平面图如图1所示。
图1 王岗山隧道出口段平面图(单位： m)
Fig. 1 Plan of exit section of Wanggangshan Tunnel (unit: m)
王岗山隧道位于哀牢山脉南西侧，处于墨江构造带，属于构造剥蚀中低山地貌。隧区上覆第四系滑坡堆积粉质黏土及碎石土，坡洪积粉质黏土，坡残积粉质黏土、碎石土、块石土，下伏二叠系上统泥岩、砂岩夹煤线，印支期侵入辉绿岩，受构造影响，围岩岩体破碎，整体工程地质条件较差。隧道出口为典型的左低右高浅埋偏压结构，呈凸形坡地貌，自小里程端向大里程端逐渐走低，两侧冲沟发育，地表多被土层覆盖。洞口凸形坡地貌如图2所示。
图2 洞口凸形坡地貌
Fig. 2 Topography of slope at tunnel portal
隧道内地下水主要为基岩裂隙水、断层水、少许岩溶水，以大气降水补给为主，局部承受地表水补给，富水性相对较强。洞身地表局部有基岩裂隙水出露，地表水主要为隧道出口段的他郎河及其支流水和洞身地表季节性降水，水流量受季节性控制明显，雨季水量较大，旱季水量相对较小。
2 出口段前期施工概况
2.1 前期施工方法
三线车站段隧道洞身净宽18.2～13.2 m、净高9.71 m、埋深5～40 m、开挖断面达259 m，属于典型的扁坦形超大断面结构，原设计采用CRD与三台
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阶加临时仰拱开挖方案。出口段车站隧道洞身支护参数如表1所示。隧道正洞预留沉降量20 cm，除出口设置9 m明洞衬砌外，其他段落均采用曲墙复合式衬砌。仰拱、二次衬砌与掌子面的距离分别控制在35 m和50 m以内。
2.2 变形情况
2.2.1 平导变形
施工中，PDK157+740～+755段左侧拱架AB单元连接处出现初期支护混凝土开裂、掉块现象； PDK157+758～+773和PDK157+870～+9段右侧、PDK157+840～+852段左侧拱墙钢架连接处出现纵向裂缝。PDK157+740、PDK157+745、PDK157+750断面变形监测数据显示，拱顶下沉和水平收敛速率为3～5 mm/d，日最大下沉值为4.2 mm，日最大收敛值为3.1 mm； PDK157+910～+928段二次衬砌拱墙分界处出现纵向裂纹； 平导底板在
PDK157+928～+0段线路右侧距水沟1 m处出现开裂，裂缝呈鼓起张开趋势。
表1 出口段车站隧道洞身支护参数
Table 1 Supporting parameters of tunnel exit section
2.2.2 正洞变形
当上台阶掌子面施工至PDK157+915时(中、下台阶间距10～15 m)，初期支护变形开裂，在中部增设I20b单榀竖撑进行加固，1周后支撑出现弯曲变形。断面PDK157+920、PDK157+925、PDK157+930拱顶下沉以及水平收敛监测结果如图3和图4所示。断面拱顶下沉和水平收敛速率达到3～5 mm/d，日最大拱顶下沉和水平收敛值为4.7 mm和4.8 mm，15 d内累计下沉109 mm、收敛53 mm，且下沉、收敛还在进一步发展中。二次衬砌在PDK157+926～+938段9横通道拱顶右侧1 m处出现1条长约4.5 m、宽约
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5 mm的裂缝，裂缝朝小里程洞顶中线方向发展，与水平面呈60°。在裂缝处布置观测点，半个月中裂缝由4 mm发展至9 mm。仰拱在PDK157+932中线右
侧6 m处出现1条长3.1 m、宽3 mm的裂缝，裂缝与仰拱中线呈45°，朝线路右侧大里程方向发展。二次衬砌开裂情况如图5所示。
2.2.3 地表斜坡变形
对地表进行观测，发现隧道正洞及平导的地表沿隧道轴线方向存在横、纵向裂缝，裂缝最大宽度4～5 cm，最深达60 cm。裂缝纵向分布范围和隧道开挖范围相对应，中前部以纵向裂缝为主，后部以横向裂缝为主。对地表裂缝进行夯实处理，并覆盖彩条布封闭，防止雨水侵入，但效果不明显，半个月后部缝重新开裂，并出现了新裂缝。
图3 3个断面拱顶下沉监测结果
Fig. 3 Crown top settlement of 3 cross-sections
图4 3个断面水平收敛监测结果
Fig. 4 Horizontal convergence of 3 cross-sections
图5 二次衬砌开裂情况
Fig. 5 Cracking of secondary lining
2.2.4 变形原因分析
初步分析洞内外变形的主要原因有： 隧道出口段埋深浅(30～40 m)、跨度大(开挖宽度21.8 m，宽高比近2∶1)。台阶开挖间距长度稍长(10～15 m)，初期支护不能快速封闭成环。洞身穿越侵入岩接触破碎带，进洞后开挖揭示PDK157+999～+955段掌子面为辉绿岩夹砂岩页岩，岩质较坚硬，岩体较破碎，不易产生滑坡，易产生崩塌； 而后在PDK157+955段线路左侧开始出现炭质
页岩夹砂岩，呈薄层状，裂隙面光滑发亮，岩质较软，易掉块，岩层从线路左侧向右侧发育，倾角60°～80°，至PDK157+925段掌子面全部被炭质岩层所覆盖(隧道掌子面岩层情况如图6所示)。地下水弱发育，局部见少量滴状或线状渗水。洞身开挖引起破碎，软弱围岩段地表沉降、松驰、开裂，发生应力调整，呈现塑性蠕变特性，而软弱、破碎的炭质页岩、砂岩的向下蠕变受到硬质、较完整的辉绿岩的阻挡产生了沿接触面的侧向挤压变形或侧向滑移，造成洞内初期支护和二次衬砌结构损坏。
(a)
(b)
图6 隧道掌子面岩层情况 Fig. 6 Rock strata of tunnel face
2.3 施工加固措施
针对上述问题，将洞中单榀竖撑改为双榀I25b工字钢竖撑，基础采用1 m宽、0.5 m厚的C35混凝土，并在上台阶设置临时横撑(2榀钢架设1道)，在台阶锁脚处各增加1组(2根)长6 m的φ注浆锁脚锚管，而中下台阶未施作段，将原设计锁脚锚杆调整为φ注浆锁脚锚管； 在PDK157+932～+906段拱部160°范围内增设8 m长LHT76型自进式中空锚杆，环向间距1.2 m，纵向间距为2倍拱架间距，梅花型布置，锚杆与岩层面大角度相交，并设置垫板将锚杆与钢架连接牢固； 根据围岩预测情况，将前方未开挖的PDK157+0～+915段I25b型钢钢架间距调整为50 cm/榀，预留变形量调整为40 cm； 在PDK157+906处增设LHT左旋自进式中空注浆锚杆，长25 m，环向间距0.3 m； 上台阶开挖时，在隧道中线处以“隔一布一”方式采用φ325 mm(壁厚8 mm)螺旋钢管进行竖向支撑。
按照上述加固措施进行施工，变形情况有所缓解，但局部区段变形超出了预设值，侵入设计限界，工程处于停滞状态，急需更变方案以解决问题。
3 优化施工方案
大断面隧道开挖方法常用的有全断面法、台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。本开挖段设计采用三台阶+临时仰拱结合竖向支撑加固法。与之相比，双侧壁导坑法不设横向临时支撑，作业空间相对更大，便于大型机械施工，工效高，有利于提高施工进度，且其两侧导洞皆为倒鹅蛋形，更有利于控制拱顶下沉。故结合本段前期施工出现的问题，通过调研并采用数值模拟方法研究双侧壁导坑法的可行性。
3.1 数值模拟计算结果
结合工程施工情况，采用ABAQUS软件对三台阶法和双侧壁导坑法施工过程进行模拟。模拟计算结果显示，2种开挖方法拱顶和仰拱处围岩的竖向变形
[17]
与水平变形最大值出现位置相同，均出现在断层破碎带处，但采用双侧壁导坑法开挖的拱顶下沉和水平收敛值均小于三台阶法开挖的相应值，说明使用双侧壁导坑法减小了分部开挖的断面尺寸，可以有效控制围岩及隧道结构的变形，更有利于隧道的施工控制。
3.2 双侧壁导坑法施工
结合上述分析及现场变形发展规律，会议研究决定，从PDK157+903处开始，隧道开挖调整为双侧壁导坑法，开挖主要采用钻孔爆破，辅以挖掘机配合，局部采用人工开挖。双侧壁导坑法开挖洞身支护参数见表2，施工横断面见图7，施工纵断面见图8。
表2 双侧壁导坑法开挖洞身支护参数
Table 2 Supporting parameters of tunnel by double-side drift method
图7 双侧壁导坑法施工横断面(单位： cm)
Fig. 7 Cross section of tunnel by double-side drift method (unit: cm)
图8 双侧壁导坑法施工纵断面
Fig. 8 Longitudinal profile of tunnel by double-side drift method
3.2.1 施工顺序
1)施工超前大管棚及左、右侧导洞超前支护；
2)弱爆破开挖①-1部，施作左导坑上导周边的初期支护和临时支护；
3)滞后①-1部3～5 m，弱爆破开挖①-2部，施作导坑周边的初期支护和临时支护；
4)弱爆破开挖②-1部，施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同①-1；
5)滞后②-1部3～5 m，弱爆破开挖②-2部，并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同①-2部；
6)弱爆破开挖③-1部，施作导坑周边的初期支护和临时支护；
7)滞后③-1部3～5 m，弱爆破开挖③-2部，并施作导坑周边的初期支护和临时支护；
8)按台阶法依次开挖④部和⑤部，架设仰拱钢架，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度；
9)滞后于⑤部一段距离，拆除临时钢架，灌注○Ⅵ部边墙基础与仰拱； 10)待仰拱混凝土初凝后，灌注仰拱填充○Ⅶ 部至设计高度；
11)根据监控量测分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性灌注○Ⅷ 部(拱、墙)衬砌。
3.2.2 施工注意事项
1)超前支护施工中，围岩破碎不能成孔地段采用自进式φ大管棚。管棚施作完成后进行注浆，注浆压力1～2 MPa，采用水泥净浆，浆液配合比水灰比为(0.8～1)∶1，终压保持10 min。
2)初期支护型钢钢架接头处应贴24 cm×24 cm钢板并焊接密实，拱、墙部锚杆尾部应配备垫板和螺母，保证与喷射混凝土面密贴。锁脚采用φ76锁脚钢管，每处2根，每根长5 m。根据监测结果，如果最大下沉、收敛超过5 mm/d或累计下沉、收敛超过100 mm，需采取加强支护措施。如果收敛过快或过大，左、右导坑内必须施作I22型钢钢架临时横撑。如果下沉过快或过大，中导坑内必须施作I22型钢钢架临时竖撑。
3)加强现场监测，全环设置11处变形监测点，其中拱部3处，导坑内各4处。双侧壁导坑法围岩量测点布置见图9。监控量测不少于2次/d，测点布置纵向间距不大于5 m，测点嵌入基岩不小于20 cm，采用φ20螺纹钢筋，并悬挂围岩量测标识牌。开挖仰拱或拆除临时支撑钢架时增加监测频率。
图9 双侧壁导坑法围岩量测点布置
Fig. 9 Monitoring points layout on tunnel by double-side drift method
4)隧道永久初期支护封闭成环后，根据量测数据及现场观测分析隧道初期支护体系的变形情况，确认变形处于正常范围内时，进行临时钢架、导坑内侧壁支护的拆除和二次衬砌施工。拆除前，选取施作大管棚段中的3～5 m进行拆除试
验，监测拱顶下沉情况，确定较为合理的拆除作业时机和二次衬砌施工时间。钢架拆除采用逐环拆除的方法： 先拆除①部临时横撑钢架，之后拆除②部临时横撑钢架、导坑上部内侧壁钢架、导坑下部内侧壁钢架，然后拆除③部临时竖向钢架，侧壁支撑每次拆除不大于3 m。
5)大变形地段仰供、二次衬砌采取紧跟措施，不按照正常隧道初期支护稳定后再施作。每施作一板仰拱，便浇筑一板二次衬砌，开挖仰拱时双侧壁临时支撑与二次衬砌端头的距离保持在15 m以内。二次衬砌采用整体式衬砌，厚度由80 cm调整为85 cm，拱墙二次衬砌主筋采用双肢钢筋，拱部160°范围内采用三肢钢筋进行加强。对混凝土加强养护，避免衬砌出现裂纹，同时对拱顶进行注浆，防止出现空洞。
3.3 实施效果
完成三台阶加临时仰拱过渡段施工后，从PDK157+903开始往小里程方向按照双侧壁导坑方案进行施工，控制围岩变形，初期支护达到较好的效果，拱顶下沉和水平收敛基本未突破预留值。图10和图11分别为断面PDK157+901和PDK157+1的拱顶下沉和水平收敛监测结果。
图10 拱顶下沉监测结果 Fig. 10 Crown top settlement
1)相同围岩情况下，采用三台阶加临时仰拱时日最大下沉值为16.5 mm，日最大收敛值为9.1 mm，累计下沉值和收敛值分别为570 mm和224 mm； 采用双侧壁导坑法并逐步增强支护参数时日最大下沉值为11.37 mm，日最大收敛值为3.8 mm，累计下沉值和收敛值分别为239.1 mm和41.5 mm。
图11 水平收敛监测结果 Fig. 11 Horizontal convergence
2)采用三台阶加临时仰拱时初期支护开裂、拱架扭曲变形严重；采用双侧壁导坑法并逐步增强支护参数后初期支护无明显开裂，拱架无明显变形。
3)洞内施工改为双侧壁导坑法并加强措施后，洞顶山体未见变化。 4)方案优化前，5个月仅完成开挖支护21 m，方案优化后施工进度达到30～35 m/月，同时保证了施工的安全。
4 结论与建议
1)复杂地质条件下大断面隧道施工，施工方案的选择十分重要，需要综合考虑隧道断面大小、埋深、地层岩性及地形地貌等因素，认真研究后确定。
2)做好超前地质预报，严控开挖进尺，初期支护尽快封闭成环；拆除临时钢架、导坑内侧壁支护前，先进行拆除试验段； 根据围岩变形情况，确定衬砌结构合理的施作时机，是控制大断面隧道变形的关键。
3)加强施工监测，根据监测结果及时调整支护参数、预留沉降量和开挖方法，是处理复杂地质隧道围岩大变形的基本思路。
