中交二航局湖北武汉430056
摘要：本文是以宜阳市滨江路隧道的开挖工程为研究对象，由于宜阳市滨江路隧道的地形、环境等原因，部分开挖了大断面隧道。导致开挖时施工工序多、受力条件复杂，相应提高了对施工工艺、支护体系的要求。如按照基本双侧壁直立开挖法进行隧道设计施工，存在较大的安全风险。在此基础上，讨论了双侧壁坑导引法施工中各分段开挖过程的优化方案。
关键词：隧道；开挖；双侧壁导坑法；开挖方案；优化
1施工工程介绍
益阳市滨江路隧道东西向穿越会龙山，隧道的建筑界限的净宽为13.5米。环形车道为双向机动车道，两侧各有一条非机动车道，检修的人行道位于外侧。一般采用新奥法进行暗洞段施工，结构是采用复合衬砌的方式进行设计。
2双侧壁导坑的施工优化方案
2.1基本双侧壁直立开挖法
一般采用竖向开挖法进行施工，具体的施工程序如下：第一步：右侧导坑上台阶开挖支护；第二步：左侧导坑上台阶开挖支护；第三步：拆卸上部临时支撑的同时进行右侧导坑中台阶的开挖支护；第四步：上部临时支护进行拆除的同时进行左导坑的中间台阶的开挖支护；第五步：右导流坑下部台阶的拆除和支撑，上部临时支架的拆除；第六步：左导流坑的下台阶进行开挖支护，并且上部临时的支撑被去除；第七步：核心土上部台阶进行开挖支护发同时双方临时支撑被拆除；第八步：核心土中台阶开挖支护；第九步：核心土壤下部台阶进行开挖支护以及两侧和上部的临时支撑被移除。
2.2优化后的工序方案
对原设计和施工方案（双侧壁直立的开挖法）的基础上，进行两种不同的施工工序的模拟。模拟工况1：如图1，先挖左导坑，待①、③、⑤导坑土通过后再挖右导坑；两导引坑土开挖完成后，去除⑦、⑧、⑨核心土，其余施工程序不变。由于先导坑土的一侧先开挖，称为单侧开挖。模拟工况2：①、②、③土方开挖按原设计进行，④、⑦、⑧土方同时开挖，⑤、⑥、⑨土方同时开挖，其余施工程序不变。图2为“L”形开挖工序，因中间核心土开挖成“L”形而命名。
3优化方案实施的计算模型
在工作平面上通过MIDAS-GTS有限元分析软件建立了整个坐标系，隧道横向为X轴方向，隧道纵向深度方向为Y轴方向，垂直方向Z轴方向，建立了隧道的三维数值模型。在隧道开挖施工中，采用不同的单元模拟不同的构件，结合工程给出不同的单元材料特性。锚杆、钢拱架和混凝土采用的是线性弹性模型，隧道围岩本构模型采用的是莫尔库仑模型。采用三维实体单元来模拟围岩，锚杆预埋桁架单元承受轴向张力，平面应变二维表面单元用于喷射混凝土，工字梁单元用于钢拱架。
锚杆和钢拱架以及喷射混凝土的联合作用在初始支护模拟时需要考虑到位。为全力保障分析符合工程实际，不被隧道修建区域丰富的地下水所影响，模型左右两侧增加20m压头，施工阶段辅助模拟隧道开挖过程。喷射混凝土采用30cm厚C25混凝土；二次衬砌采用100cm厚C40钢筋混凝土。
4计算结果与实施分析
4.1各个部分的开挖过程的确定值和收敛值
选取相应的地表关键点、拱顶关键点和拱腰关键点进行分析，可以分析出隧道断面的水平下沉和拱顶沉降以及地表沉降。从图2中可以看出，由于开挖预留岩心土后对隧道顶部的支护损失导致三种开挖过程的地表沉降值曲线在开挖预留岩心土时突然发生变化。其中，“L”形开挖工序地表沉降为5．47mm；单侧开挖过程与对称开挖过程的变化范围基本相同，单侧开挖过程的最终表面沉降量为4.33mm。对称开挖过程最终表面沉降量为4.32mm，两种开挖过程无明显差异。在单侧开挖的施工过程中，可以忽略不计地表的隆起现象。总的来说，这三个开挖过程的地表沉陷很小，远小于许用值的代码（30毫米）。
4.2各部分开挖工序围岩应力的变化
围岩的应力云图是类似于云计算位移场的分布规律，和围岩的应力云图不再是给定的。通过围岩应力云图的结果表明，3种开挖工序在隧道贯通后，对称分布围岩的应力场。单侧开挖过程中，穿入后围岩应力场呈对称分布，应力场呈非对称分布，两侧对称开挖施工过程中围岩应力场呈对称分布。在“L”形开挖过程中开挖过程的不对称造成围岩应力场分布不对称。
在三种工况下的开挖过程中，围岩应力场呈对称分布。在对称开挖过程施工过程中，围岩的有效应力稳定发展，而单侧开挖和“L”开挖时拱顶的有效应力会出现突变。单侧开挖和“L”形挖掘的突然位置在手掌表面。由于预留的核心土的挖掘，掌顶表面的围岩的应力被释放。整体而言，单侧开挖过程中拱形围岩的有效应力和“L”开挖过程小于对称开挖过程，两拱顶岩的最终有效应力稳定值均小于对称开挖过程。
4.3支护受力研究
“L”形开挖工序喷混最大（拉应力1．18MPa）和最小主应力（压应力12．20MPa）位于拱脚；锚杆的最大轴向力位于足弓处，为40.30KN。开挖过程中，“L”形开挖过程在拱顶关键点和拱腰以及拱脚最大绝对压应力值最小。由于扁平隧道上部作用力面积较大，承受较大力的作用等因素，单侧开挖及对称开挖工序锚杆轴力在拱顶及拱脚位置处均较大。实际施工中，由于拱顶位置的特殊性，锚杆锚固效果较其他部位差。“L”开挖程序可以很好地解决这个问题。拱顶螺栓的轴向力较小，锚杆的最大轴向力位于拱脚处。
单侧开挖过程中喷雾搅拌的最大和最小主应力位置分别位于拱脚处，分别为4.66MPA和15.20MPA，锚杆的最大轴向力为61.90KN。对称开挖过程中，拱顶喷雾搅拌最大压缩应力为2.74MPA。最大拉应力位于拱腰，为1.04MPa；最小主应力位于拱脚，为14.60MPa；拱顶锚杆最大轴力为53.10kN。
4.4方案分析研究对比结果
从开挖过程的复杂性来看：单侧开挖过程中的9个导坑分为66个阶段的开挖支护。对称挖掘过程分为52个步骤。与单边开挖相比，过程较少，围岩的竖向位移和收敛小于单边开挖。因此，对称开挖过程优于单边开挖过程。“L”开挖过程分为46个程序，小于单边开挖过程，可以提高施工效率。“L”开挖工艺在拱顶沉降和地表沉陷以及拱脚水平收敛，还有喷射混合主应力和支撑力最终稳定性方面具有优势。在“L”开挖过程中施工程序较少，在控制指标变形率方面，单边开挖以及对称开挖具有优势。
5模拟数据监测对比分析
现场施工设计开挖方案是对称开挖的过程，本文对对称开挖的现场监测数据以及有限元数值模拟结果进行了对比分析。拱脚的水平收敛值与测量值比较吻合，模拟值小于表面沉降测量值，除相应的回弹外还有数据的波动。总体而言，测量值的趋势和模拟值是一致的，且数量级相同，数值模型的仿真的结果比较合理。在数值模拟分析中，可以看出改进的两侧壁面坑导向法“L”工艺调整方案是可行的。
6结语
通过对益阳市滨江路隧道开挖工程的研究，阐述了三种开挖步骤序列，并进行了对比分析。在保证质量和安全的前提下，“L”级调开挖法施工顺序较少，“L”形级调开挖法施工顺序较少。能有效缩短施工周期，降低施工成本，“L”开挖步骤顺序调整方案最好。
参考文献：
［1］关宝树．软弱围岩隧道变形及其控制技术［J］．隧道建设，2011，31（1）：1－17．