关键词：CD法、单侧壁导坑法、台阶法
一、隧道概况及工程地质条件
1.1 回头沟隧道工程概况
鹤大高速靖宇至通化段回头沟隧道位于吉林省白山市板石镇境内，为分离式隧道。左线总长度720m，右线总长度660m，属于中隧道。
隧道所处地区为长白山西南麗支脉山区，山体总体走向北东，周围山峦连绵起伏，海拔高度大雨500~1138m，为中低山地貌。区内最高峰1218.5m，相对高差大雨500m，属中刻切剥蚀地形。山坡和坡脚形成构造剥蚀和山麗斜坡堆积地貌类型。树枝状沟谷纵横交错，局部形成山间宽谷，剁成“V”，地形较起伏。
隧道途径地段海拔高度814~930.4m。想多高差大于116m。山体整体坡度25~30°。
1.2 隧道围岩分级
根据《公路隧道设计规范》（JTGD-2004）综合考虑隧道底板标高以上洞身及三倍洞泾范围内的围堰工程地质条件等等计算围岩质量指标BQ，并进行修正计算。采用修正的围岩质量指标[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）对隧道围岩进行详细的工程地质分级。见《回头沟隧道工程地质纵断面图》。
1.3隧道浅埋偏压段支护
隧道为Ⅴ级浅埋偏压，采用复合式衬砌，如下图：
二、偏压隧道施工方法分析
本文研究的是鹤大高速靖宇至通化段BⅠ设计段回头沟隧道偏压段施工方法，根据相关地质条件和隧道设计跨度以及所处围岩等级等条件，选用的是台阶法、单侧壁导坑法和CD法进行比较。
2.1 台阶法开挖
台阶法一般是将设计断面分成上半断面和下半断面两次开挖成型。也有采用台阶式上部弧形导坑超前开挖的，见图3-1。
图2-1 台阶开挖法
台阶法多适用于Ⅳ、Ⅴ类较软而节理发育的围岩中，可分别采用三种变化方案：长台阶法、短台阶法、微台阶法。
（1）长台阶法：上下台阶距离较远一般超前100～150m。长台阶开挖方式的适用范围比全断面开挖方式广泛。全断面开挖施工中，当遇到岩质条件变坏、开挖工作面自稳性较差时，可以考虑改为长台阶开挖。
长台阶开挖的优点是：在隧道长度比较短时，可将上部断面全部挖通后，再挖下半断面。长台阶开挖的缺点是：当隧道长度比较长时，上、下两半断面分开施工或交替施工都会使工期加长，而如果采用上、下两半断面并进施工，虽然可以缩短工期，但由于两套机械设备的互相干扰，特别是上半断面的出渣作业会影响下半断面的施工，会使开挖作业的组织工作变得复杂化。
（2）短台阶法：短台阶开挖比长台阶开挖能更早地使支护结构形成闭合断面，更利于控制隧道的内空变位速度和变位量，更利于控制地表下陷量。因此在岩质条件更差时，采用短台阶法开挖比长台阶法有利。短台阶开挖也是分成上下两个断面进行开挖，上下两断面并进施工，在并进施工中，上、下台阶长度一般为20～50m。
短台阶开挖的缺点是，由于台阶短，上半断面和下半断面的施工作业不能全部平行进行，而只能是一部分平行进行，这里主要是指上半断面出渣时对下半断面施工的影响。
（3）微台阶法：也称超短台阶法，上台阶仅超前3～5m，应用这种方式在膨胀性地层或砂质地层中开挖隧道时，比用短台阶开挖还能更早地使支护结构形成闭合断面。因此，可以更有效地控制内空变位量的增长。在城市隧道施工中，应用微台阶方式比用短台阶方式能更有效的控制地表下陷量。
微台阶开挖因上半断面和下半断面开挖工作相距较近，机械设备集中，作业互相干扰较大，工作效率低，工期拖长，使用的机械种类也受到限制。由于上半断面施工作业场地狭小，常常需要配有移动式施工机械台架，以解决两半断面施工机械的配置问题。
2.2单侧壁导坑法
围岩稳定性较差，隧道跨度较大，地表沉陷难于控制时，采用单侧壁导坑法。此法单侧壁导坑超前，中部和另一侧的断面采用正台阶法施工，故兼有正台阶法和后述双侧壁导坑法的优点，且洞跨可随机械设备等施工条件决定。
工艺原理：以岩体力学理论为基础，应用新奥法指导施工，充分发挥围岩自承能力，运用光面爆破技术，及时进行喷锚初期支护，防止围岩松动，应用监控量测及时反馈信息，充分发挥围岩和初期支护的作用。
2.3 CD法
CD 法也称中隔壁法，主要适用于地层较差和不稳定岩体、且地面沉降要求严格的地下工程。呈块状但裂隙填充物少的硬质Ⅳ级围岩，不适合采用中隔壁法，这类围岩一般采用弱爆破效果差，采用常规爆破则破坏临时支护，中隔壁无法失去作用，反而形成施工安全隐患。该法要求考虑时空效应，每一步开挖必须快速施工，及时步步成环，采用喷射砼封闭，消除由于工作面应力松弛而增大沉降值的现象。
CD法施工原理：CD 法开挖及初期支护分 6 步，即 6 个导洞。如图 3-7 所示，左侧上下两个导洞为先期开挖的第一、二导洞，左侧隧底为第三导洞，右侧按上下按顺序分别为第四、五导洞，右侧隧底为第六导洞。CD 法是在软弱围岩大跨度隧道中，先分部开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再分部开挖另一侧的施工方法。其原理是：就是把整个隧道大断面分左右上下4个小断面施工（如图 3-7 所示），每一小断面单独掘进，最后形成一个大的隧道，且利用岩层在开挖过程中短时间的自稳能力，采用型钢等支护形式，采用初喷使围岩表面形成初期支护结构，确保掘进安全。【4】该法横向施工结构详见图 3-8。
2.4 本章小结
结合回头沟隧道所处地质条件、偏压段隧道围岩等级和隧道的跨度等条件，本章选取了台阶法、单侧壁导坑法和CD法施工进行对比，如表3-9（一般情况下）：
表2-4
三、偏压隧道施工方法数值模拟计算分析
3.1 MIDAS-GTS 软件简介
Midas GTS是由韩国MIDAS IT公司自主开发研制的一套关于三维岩土有限元模型分析软件。它把岩土隧道结构的专业性要求与通用的有限元分析内核有机地结合在一起，集合了目前常用的岩土隧道分析软件的优点。该软件包括非稳定渗流分析、施工阶段分析、非线性弹塑性分析、渗流-应力耦合分析、固结分析、动力分析等。在岩土分析及隧道设计计算方面，Midas GTS 软件是解决方案的最佳选择之一，其具有分析岩土隧道设计计算基本分析功能，为使用者提供了许多最新最全面的分析理论在内的分析功能。
3.2 计算模型的简化
地层本身存在着应力场，未受到扰动的地层内的应力称为原岩应力，包括重力应力和构造应力，实际的应力等于两类应力场的叠加。原岩应力场是不取决于人类开挖活动而客观存在与岩体中的自然应力场因而原岩应力场是一个随时间而变化的非稳定应力场。形成构造应力场的原因非常复杂，目前还难以通过函数的形式表现出来，一般只能通过实地测量确定其规律。本文忽略应力场，只考虑自重造成的初始应力场。在模拟隧道开挖前，先设定地层密度、重力加速度等参数，采用数值模拟的方法模拟地层中的初始应力场，计算收敛后得初始应力场。
隧道初期支护只考虑锚杆和喷射混凝土作用，二次衬砌仅作为安全储备，在此不参与计算。
3.3 参数的选取
根据设计资料及公路隧道设计规范JTG D70—2014，所选取计算模型的岩层和支护结构的材料力学参数如表4-2所示：
表3-1 回头沟隧道偏压段模拟计算参数
3.4 断面LK315+700.00m的结果分析
3.4.1 围岩位移对比分析
1、洞内位移分析
选取以下6个点位作为模拟观测点，分别为左（右）线拱顶，左（右）线拱脚，左（右）线墙中，如下图：
图3-1
从三种施工方法的最终位移场图中分析可知：
（1）台阶法：
①左拱顶最终沉降为2.28mm，最大沉降量为2.48mm，最大沉降变化梯度发生在上台阶开挖和支护时间段。右拱顶最终沉降为2.15mm，最大沉降为2.38mm，最大沉降变化梯度发生在上台阶开挖和支护阶段；
②左拱脚（向洞外）最终水平位移为1.01mm，最大位移变化梯度发生在中台阶的开挖和支护阶段。右拱脚的水平位移方向为朝向洞内，最终位移0.79mm，最大位移变化梯度同样发生在中台阶的开挖与支护阶段，是由于中台阶的开挖造成荷载释放的原因；
③左墙中的水平位移方向朝向洞外，最终位移为1.29mm，右墙中的水平位移朝向洞内，最终位移为1.31mm，左右墙中最大位移变化梯度都发生在下台阶的开挖与支护阶段，上台阶和中台阶的开挖与支护阶段位移变化不明显。
（2）CD法：
①左拱顶最终沉降量为2.12mm，右拱顶最终沉降量为1.95mm。最大沉降变化梯度发生在3号导洞的开挖与支护阶段，在此之前沉降变化不大，之后4号导洞的开挖支护对拱顶的沉降影响不大；
②左拱脚最终水平位移为1.07，方向为洞外方向，在2号导洞的开挖支护阶段位移变化梯度最大，之后在3号导洞开挖与支护阶段，左拱脚的水平位移在原来的基础上朝向洞内方向变化。右拱脚最终水平位移为0.90mm（洞内方向），最大位移为1.08mm（向洞内），从开挖开始位移变化梯度变化较大，一直到4号导洞开挖阶段，位移在原来的基础上朝向洞外变化；
③左墙中最终水平位移为1.31mm（向洞外），在2号导洞开挖与支护阶段位移变化梯度最大，3号导洞开挖时有少量位移回复。右墙中最终水平位移为1.25mm（向洞内），最大位移是1.35mm（向洞内），在2号导洞开挖与支护阶段位移变化梯度最大，之后位移朝向洞外缓慢回复。
（3）单侧壁导坑法：
①左拱顶最终沉降为2.11mm，右拱顶最终沉降为1.95mm，最大沉降梯度发生在2号导洞开挖段；
②左拱脚最终水平位移为1.07mm（向洞外），最大位移变化梯度发生在1号导洞的开挖与支护阶段，随后2号导洞的开挖，位移开始向洞内回复。右拱脚最终水平位移为0.94mm（向洞内），最大位移变化梯度发生在1、2号导洞的开挖与支护阶段，随后3号导洞的开挖，位移开始向洞内回复，最大位移为1.12mm（向洞内）；
③左墙中最终水平位移为1.31mm（向洞外），最大位移变化梯度在1、3导洞的开挖支护阶段，2号导洞开挖后位移向洞内略微变化。右墙中最终水平位移为1.26mm（向洞内），最大位移变化梯度在1导洞的开挖支护阶段，随后变化很小。
2、地面位移分析
选取隧道中线最上方地面的点作为模拟观测点，如图4-13：
图3-3 三种施工方法的地面沉降图
3、台阶法、CD法和单侧壁导坑法的位移场比较：
台阶法的拱顶沉降量较大，而CD法和单侧壁导坑法的拱顶沉降量相对而言几乎相同，比较小。台阶法相对于CD法和单侧壁导坑法的拱顶沉降量要大17%；这三种施工方法的最终中线地面沉降量、拱脚水平位移、墙中水平位移基本相等，相对而言没有特别大的突变曲线。
综合以上分析，相对于台阶法，CD法和单侧壁导坑法更符合围岩稳定要求。
3.4.2 喷射混凝土内力分析
图3-6 单侧壁导坑法喷混凝土轴力图
由图可知，最大轴力顺序为单侧壁导坑法 > CD法 > 台阶法，其中单侧壁导坑法和CD法相差仅仅1%。
综合以上分析，台阶法对喷混凝土的轴力较小，CD法和单侧壁导坑法对轴力基本相同，而最大弯矩三者基本相等。所以，CD法和单侧壁导坑法施工要注意喷混凝土的强度以及厚度。
3.5 施工方法的选择
隧道施工方法的选择，首先要考虑的就是工程地质条件、隧道的尺寸及长度，结合施工的经济性、安全性以及工期等条件，采用合适的施工方法。
本文研究的是台阶法、CD法和单侧壁导坑法三种施工方法的选择，其中：台阶法施工，相对于另外两种方法，拱顶的沉降最大，围岩应力变化也最大，锚杆轴力最大，从围岩稳定性和施工安全性考虑，台阶法不适于回头沟隧道偏压段的施工；CD法和单侧壁导坑法位移、围岩应力、喷混凝土轴力和弯矩、锚杆轴力基本相同。但是单侧壁导坑法相对于CD法来说，更具有经济性，且工期也相对变短。所以，建议在回头沟隧道偏压段选择单侧壁导坑法施工。
论文作者:刘宣阳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年17期
论文发表时间:2019/11/22
标签：位移论文; 导坑论文; 台阶论文; 隧道论文; 断面论文; 侧壁论文; 围岩论文; 《建筑学研究前沿》2019年17期论文;