随着隧道掘进与支护技术的提高, 为满足日益增长的交通流量需求, 大断面隧道越来越多。目前大断面隧道的主要开挖方法有台阶法、双侧壁导坑法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法 (CD法) 、交叉中隔壁法 (CRD法) ^[1]。对于围岩差、断面跨度大、地表沉降控制要求严格的隧道, 常常采用双侧壁导坑法^[2]。目前国内对双侧壁导坑法的研究主要集中在变形控制效果与工艺优化两个方面。谢旭强等^[3]对大跨隧道双侧壁导坑法施工进行了弹塑性数值模拟, 探明了施工过程中围岩深部位移、围岩稳定性以及衬砌结构的受力特性。高峰等^[4]以沙湾大断面隧道为研究背景, 采用数值模拟方法研究了支护封闭的快慢对双侧壁导坑法施工隧道稳定性的影响。崔振东^[5]对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑法进行分析, 着重研究了中隔墙岩柱开挖的稳定性与加固措施。李浩等^[6]研究了导坑形状对V级围岩大断面隧道双侧壁导坑法施工的影响。王学斌^[7]针对超浅埋大断面隧道双侧壁导坑法的施工参数进行了研究, 确定了最优工艺参数。邹翀等^[8]应用MIDAS-GTS软件计算了3种不同开挖步序条件下地表沉降、围岩变形和支护结构收敛情况, 并结合实际情况提出了大跨扁平隧道施工的合理步序。

虽然针对双侧壁导坑法进行了大量研究, 但在进行大断面隧道掘进时仍不能简单套用, 而应根据隧道工程地质条件针对性设计导坑形状、尺寸及开挖时序。本文以成兰铁路某处大断面隧道为工程背景, 采用数值模拟的方法分析双侧壁导坑法施工过程中隧道围岩变形、应力分布、塑性区扩展以及中间岩柱位移轨迹情况, 并提出针对性的支护对策, 为大断面隧道的顺利掘进提供安全保障。

成兰铁路某处隧道为单洞双线设计, 断面形状为马蹄形, 宽21.07m, 高13.69m, 属于大断面隧道, 隧道断面如图1所示。隧道围岩岩性较差, 以砂质泥岩为主, 采用单动双管取芯钻具^[9]原位钻取岩心并进行岩石力学试验, 试验结果如表1所示。采用小孔径水压致裂地应力测试装置^[10]进行地应力测量, 测试结果表明最大水平主应力约为18.90MPa, 方向与隧道轴线近似垂直;最小水平主应力为9.45MPa, 方向与隧道轴线平行;垂直应力与最小水平主应力近似相等 (容重取27kN/m³) 。由于隧道断面尺寸大、围岩岩性差以及水平应力高, 为避免一次成巷导致围岩剧烈变形破坏, 决定采用双侧壁导坑法施工, 尺寸如图2所示, 并将开挖时序安排如下:第1步开挖左侧导坑 (见图1中 (1) ) ;第2步开挖右侧导坑 (见图1中 (2) ) ;第3部开挖中间岩柱 (见图1中 (3) ) , 最终完成整个隧道断面成型。

采用有限差分软件FLAC3D构建大断面隧道数值模型。为消除边界效应影响, 将模型尺寸定为80m×60m×10m。模型为平面应变模型, 固定左右侧及前后侧的水平位移, 固定底侧的垂直位移, 顶侧施加上覆岩层压力9.45MPa。与隧道垂直方向施加随埋深变化的最大水平主应力, 侧压系数为2;与隧道平行方向施加随埋深变化的最小水平主应力, 侧压系数为1。为开挖方便, 在建模时必须提前设定左侧导坑、右侧导坑及中间岩柱分组, 但导坑及中间岩柱形状并不规整, 因此采用“AutoCAD-ANSYS-FLAC3D步步导入”的方法^[11,12]建立围岩及隧道的三维模型, 并在ANSYS中完成网格划分, 网格为放射状, 隧道周边较密, 随远离隧道逐渐稀疏, 共计29 985个网格, 36 414个节点。大断面隧道数值模型如图2所示。

监测点共计布置9个, 编号1~9。1号及4号监测点分别布置在隧道左右边墙中间部位, 2号及6号监测点分别布置在左右导坑与中间岩柱搭接部位, 3号及5号监测点分别布置在中间岩柱左右帮中间部位, 7号及8号监测点分别布置在隧顶与隧底, 9号监测点布置在中间岩柱中心部位, 监测点布置如图1所示。监测点用于记录监测部位随时步的变形曲线。

模拟步骤按照实际开挖时序确定: (1) 初始应力平衡计算; (2) 开挖左侧导坑; (3) 开挖右侧导坑; (4) 开挖中间岩柱。初始应力平衡如图3所示, 竖直应力总体呈层状分布, 个别位置受网格划分及边界效应影响存在局部扰动。

在完成初始应力平衡计算的基础上, 开挖左侧导坑, 应力及位移计算结果如图4所示。

从图4a可以看出, 最大主应力在左侧导坑顶底一定深度处达到最大, 约为26.0MPa, 是该处初始地应力平均值17.0MPa的1.5倍, 导坑周围应力较小。上述应力分布可解释为:左侧导坑开挖导致导坑周边围岩应力集中, 导坑周边围岩在集中应力作用下发生破坏, 同时集中应力向围岩深部转移。

从图4b, 4c可以看出, 左侧导坑围岩均产生了向内的收敛变形, 右帮变形量超过60.0mm, 稍大于左帮;底板变形量大于导坑顶端, 底板变形量超过50.0mm, 顶端最大变形量在40.0mm左右, 且出现在右帮上部, 即中间岩柱左帮上部。具体而言, 左侧导坑开挖后, 1号测点向坑内移动了55.7mm, 2号测点向下移动了31.9mm, 3号测点向坑内移动了66.4mm (见图5) , 即左侧导坑开挖时中间岩柱左帮变形量最大, 在支护设计时应给予重视。

在完成左侧导坑开挖计算的基础上, 开挖右侧导坑, 应力及位移计算结果如图6所示。

对比图6a与图4a可以看出, 右侧导坑开挖适当降低了隧道顶底板的应力集中程度。中间岩柱虽然发生了塑性破坏, 但仍保持了一定的承载能力, 岩柱应力介于2.0~8.0MPa, 且呈“中间高、两侧低”的分布形势, 如图6a所示。

从图6b, 6c可以看出, 右侧导坑开挖后加剧了左侧导坑的变形程度, 且对左侧导坑右帮的影响程度要大于左帮, 左侧导坑右帮位移量超过80.0mm, 增加了约20.0mm;左侧导坑左帮位移量超过60.0mm, 增加了约10.0mm。右侧导坑左帮位移量较小, 右帮位移量较大, 约为60.0mm。右侧导坑左上部位竖直位移较大, 且表现为整体下沉, 是隧道变形控制的关键部位。具体而言, 4号点在左侧导坑开挖时向左移动了30.5mm, 随着右侧导坑开挖, 位移增大到62.7mm;5号测点在左侧导坑开挖时向左移动了43.2mm, 随着右侧导坑开挖, 该点开始回移, 最终超过原始位置1.5mm;6号测点在左侧导坑开挖后下移了10mm, 随右侧导坑开挖继续下移, 最终位移量为56.0mm, 如图5b所示。

综上分析, 右侧导坑开挖会对左侧导坑形成强烈扰动, 使左侧导坑产生不同程度的收敛变形, 以中间岩柱左帮变形为甚, 此外中间岩柱右上部位变形也较为严重, 对变形严重部位均应加强支护。

在完成左侧及右侧导坑开挖计算的基础上, 开挖中间岩柱, 应力及位移计算结果如图7所示。

由图7a可以看出, 随着中间岩柱的开挖, 最大主应力在隧道周边分布变得均匀且由浅至深逐渐增大。左右帮变形较为对称, 变形量均>60.0mm, 相比右侧导坑开挖时变化较小, 说明中间岩柱开挖对隧道两帮变形影响不大, 如图7b所示。从图7c, 5c可以看出, 8号测点在左右侧导坑开挖后底鼓34.6mm, 中间岩柱开挖后继续鼓起, 最终底鼓量为99.4mm;1号测点在左右侧导坑开挖后向右移动了66.6mm, 待中间岩柱开挖后, 位移增加到80.8mm;4号测点在左右侧导坑开挖后向左移动了62.8mm, 待中间岩柱开挖后, 位移增加到77.3mm;7号测点在左右侧导坑开挖后下沉57.3mm, 待中间岩柱开挖后, 下沉量增加到119.7mm。综上分析, 隧道开挖完成后, 顶底板移近量为219.1mm, 两帮移近量为158.1mm, 且围岩变形量由大至小依次为:隧顶>隧底>左帮>右帮。

左侧导坑开挖后, 塑性区集中分布在导坑左侧顶角、左侧底角、底板及右侧帮部, 如图8a所示, 上述区域是左侧导坑破坏的主要部位, 在支护时应给予重视。右侧导坑开挖导致中间岩柱发生了整体塑性破坏, 并致隧道顶底板塑性区扩展显著, 如图8b所示, 这是由于左右导坑开挖后, 中间岩柱成为隧道的承载主体, 在中间岩柱内部及上下端产生应力集中, 导致岩柱本身及上下端围岩发生塑性破坏。中间岩柱开挖后, 顶底板的塑性区范围迅速扩大, 顶板塑性区深度约等于隧道高度, 底板塑性区深度约为隧道高度的1.5倍;两帮塑性区范围较小, 如图8c所示。由塑性区演化分析可知, 左侧导坑开挖时, 应加强对导坑左侧顶角、左侧底角及中间岩柱左帮的支护;右侧导坑开挖时, 应对中间岩柱左帮进行补强支护, 加强对中间岩柱右帮的支护;中间岩柱开挖后, 应加强对顶底板的支护。

将中间岩柱3个测点及左右帮2个测点在不同开挖时段的位移数据汇总, 绘制运动轨迹, 如图9所示。

左侧导坑开挖后, 3, 9号及5号测点均向左移动, 并且位移量依次减小, 因此中间岩柱向左产生了整体位移, 且岩柱内部发生了不均等变形;当右侧导坑开挖后, 3号测点继续向左移动;9号测点开始回移, 但最终仍在原始位置左侧;5号测点也发生回移, 基本又回到了原始位置。中间岩柱测点位移轨迹说明:左侧导坑开挖时, 中间岩柱向左整体移动;右侧导坑开挖时, 中间岩柱左帮仍向左运动, 右帮回移, 内部出现严重的不均等变形, 产生离层裂隙。

在左右侧及中间岩柱开挖过程中, 1号测点始终向右移动, 4号测点始终向左移动。

根据双侧壁导坑法施工过程中隧道围岩变形、应力分布、塑性区扩展以及中间岩柱位移轨迹的分析结果, 分别针对左侧导坑开挖、右侧导坑开挖及中间岩柱开挖时段提出支护对策与建议。

1) 左侧导坑开挖

由位移分析结果可知, 左侧导坑开挖时中间岩柱左帮变形量最大, 且中间岩柱整体向左移动;由塑性区分析结果可知, 左侧导坑开挖后塑性区集中分布在导坑左侧顶角、左侧底角、底板及右侧帮部。因此在左侧导坑开挖后, 应及时采用锚杆支护导坑左帮, 若围岩破碎还应铺设钢筋网, 并适当增大左侧顶角、左侧底角的锚杆支护密度, 然后全断面喷射混凝土以封闭围岩, 在此基础上全断面施加钢梁支护^[13], 不同钢梁分段之间使用接头连接, 使钢梁形成相互支撑的整体。此外, 由于中间岩柱左帮上部变形较大, 安装斜支撑钢梁以提高右上钢梁的支护强度。左侧导坑支护如图10所示。

2) 右侧导坑开挖

由位移分析结果可知, 右侧导坑开挖会引发左侧导坑进一步收敛变形, 且以中间岩柱左帮变形为甚, 因此在右侧导坑开挖前, 应对左侧导坑进行补强支护, 可在左右帮钢梁之间安装横支撑钢梁, 以增大钢梁整体抗变形能力。此外右侧导坑开挖时中间岩柱内部发生严重的不均等变形, 产生离层裂隙, 因此在右侧导坑开挖后应参照左侧导坑及时施加锚杆、喷射混凝土和钢梁支护。由于中间岩柱上部变形较大, 也应安装斜支撑钢梁。视导坑围岩破碎情况决定是否铺设钢筋网, 防止岩体片落伤人。右侧导坑支护如图10所示。

3) 中间岩柱开挖

中间岩柱开挖后顶底板的塑性区范围迅速扩大, 因此在中间岩柱开挖后应及时采用锚杆支护隧道顶板, 视底板情况决定是否打设锚杆。在完成锚杆初支后, 应针对全断面及时实施混凝土二衬支护, 对隧道围岩提供径向支护力, 防止塑性区进一步扩展。

锚杆规格及间排距、混凝土型号及厚度、钢梁型号及分段长度、钢梁接头规格以及二衬参数应根据工程情况具体设计。

1) 隧道无支护开挖后顶底板移近量为219.1mm, 两帮移近量为158.1mm, 且围岩变形量由大至小依次为:隧顶>隧底>左帮>右帮。

2) 双侧壁导坑法施工时, 中间岩柱是维护隧道稳定的关键, 应注重加强对中间岩柱的支护。两侧导坑开挖后中间岩柱发生塑性破坏, 但仍能保持一定的承载能力。本例中岩柱承载能力介于2.0~8.0MPa。

3) 左侧导坑开挖后, 应及时采用锚杆支护导坑左帮, 并增大左侧顶角、左侧底角的锚杆支护密度, 然后全断面喷射混凝土与施加钢梁支护, 并安装斜支撑钢梁。

4) 左右侧导坑开挖过程中, 中间岩柱整体向左移动, 内部出现离层裂隙, 因此在右侧导坑开挖前应通过安装横支撑钢梁对左侧导坑进行补强支护, 开挖后应及时施加锚杆、喷射混凝土和钢梁支护。

5) 双侧壁导坑法施工时隧道顶底板塑性区范围较大, 因此在中间岩柱开挖后应及时采用锚杆支护隧道顶底板, 并及时针对全断面实施混凝土二衬支护。