近年来, 随着我国经济快速发展, 特别是国家“一带一路”倡议的提出, 隧道及地下工程建设数量越来越多, 规模越来越大。传统断面形式的公路隧道愈发不能满足交通需求, 双向八车道等超大断面隧道建设蓬勃发展^{[1,2,3,4,5,6,7]}。目前, 我国没有关于双向八车道超大断面隧道的设计及施工规范, 现场开挖方法及支护结构选择根据以往施工经验进行设计, 盲目性大, 延缓了施工进度, 造成人员、材料、经济上的浪费。

相比于传统二车道、三车道隧道, 双向八车道隧道跨度大, 扁平率低, 应力重分布不利于隧道围岩的稳定性, 加之在软弱围岩、断层破碎带等复杂围岩赋存环境下, 隧道拱顶塌方、围岩侵入净空、支护构件破坏等现象频发^[8,9,10] (见图1) , 给现场安全施工带来极大挑战。因此选择合适的开挖方法及围岩控制技术对超大断面隧道安全施工至关重要^{[10,11,12,13,14]}。

龙鼎隧道作为京沪高速济南连接线重点控制工程, 是典型的双向八车道超大断面公路隧道。隧道全长2 183m, 开挖宽度20.8m, 高度13.6m, 左右幅隧道相距最小处为12m, 隧道覆土厚度最小处仅为17m。隧道工程规模大、地质条件复杂, 围岩等级大部分为V级和IV级, 且又穿越断层破碎带, 属于极浅埋、小净距、超大跨隧道。在左线明洞段K7+210—K7+650段设计的隧道开挖方法为上下台阶法, 初期支护主要由ϕ22 水泥砂浆锚杆、C25喷射混凝土, 钢筋网及I16组成, 具体参数如表1所示。施工过程中, 围岩突现节理裂隙发育, 岩体破碎, 层间胶结较差, 层理间有一定的黏土夹层, 威胁现场施工安全。因此, 现场开挖工法及支护结构需要进行变更, 根据已施工隧道所用开挖工法及支护结构形式, 从CRD法与CD法中优选一种最便捷、经济的开挖方式替换原上下台阶法施工, 并选择一种经济、合理的支护方式。

通过数值分析研究CD和CRD开挖方法在I18, I22b支护方式下隧道围岩拱顶位移、围岩塑性区应变变化规律及支护结构实际工作状态, 并对计算结果进行对比分析, 明确两种开挖工法及支护方式下超大断面隧道围岩变形破坏机制, 综合比选最优施工工法及支护结构。

根据现场实际情况, 按实际围岩条件和地应力分布进行三维建模计算, 取模型尺寸为140m×140m×2m (宽×高×厚) , 顶部埋深150m, 竖向补偿地应力值为4.02MPa, 底部在x, y, z 3个方向进行约束, 两侧及前后面进行x, y方向约束。根据现场岩石力学特性试验, 模型体采用八结点线性六面体单元模拟、减缩积分、沙漏控制, 采用莫尔-库伦准则。CD法及CRD法数值计算模型如图2所示。

岩石力学参数通过现场岩石取样, 进行室内试验获得, 如表2所示, 拱架参数选取如表3所示。

依托现场工程实际概况, 系统开展CD法、CRD法两种开挖方式在I18, I22b拱架支护下隧道稳定性分析, 对比分析隧道拱顶位移、围岩塑性区及拱架受力变化规律, 综合比选得到最优开挖方式及支护结构。

本次试验为方便结果对比, 主要对CD法及CRD法开挖完成后隧道围岩位移、塑性应变及拱架内力进行对比分析。图3～8为2种开挖方式下不同工字钢拱架支护下围岩位移云图、塑性区云图及拱架应力云图。表4为开挖完成后拱顶最大位移、最大塑性应变及拱架最大应力数值。

由上述图表数据分析可知:

1) 开挖方法选择

两种开挖方式下均能满足现场围岩控制需要, 以I22b支护为例, 拱顶最大位移差异率为8.6%, 最大塑性应变差异率为10%, 拱架最大应力差异率为15.3%。通过对比分析可知, 两种开挖方式下拱顶位移、最大塑性应变及拱架受力相差不明显。但采用CRD法开挖, 施工顺序繁杂, 增加了人力、物力成本, 影响施工进度。因此综合考虑, 现场宜采用CD法开挖。

2) 支护结构优选

采用两种支护形式均能满足现场支护需要, 以CD法开挖方式为例, 两种支护方式下, 拱顶最大位移差异率为34.2%;最大塑性应变差异率为35.7%;拱架最大应力差异率为12.1%。两种支护形式下拱顶位移、最大塑性应变及拱架受力相差明显。相比于I18支护, 采用I22b围岩支护效果更优。根据计算结果及现场施工经验, 本着安全施工的原则, 现场支护结构宜采用I22b支护。

根据隧道现场施工时出现的掉块、围岩破碎等现象。为有效控制围岩初期支护结构变形, 确保隧道安全高效施工, 同时对隧道设计进行反馈, 指导施工。现场进行了CD法开挖方式下不同支护形式对比试验研究, 通过数据分析整理, 形成现场施工最优支护参数, 为类似工程提供数据支撑。

为了对比分析隧道中不同拱架参数支护作用效果, 选取试验条件基本相同的龙鼎隧道明洞段作为试验段, 共分2个试验段。包含:设计采用I18拱架试验段、 I22b试验段。每个试验段设置1个监测断面, 分别对右拱肩A1、右拱腰A2、拱顶A3、左拱肩A4、左拱腰A5处进行监测。具体布置如图9所示。

本次现场试验拟对隧道围岩与初支接触压力、拱架受力进行对比监测。为全面、准确掌握围岩及支护结构实际工作状态, 同时又可以使得各数据之间能相互比较、相互验证, 各项监测内容均布置在同一断面, 除工字钢拱架型号不一样之外, 其余参数不变。

针对所监测项目, 进行试验断面不同拱架参数对比研究, 通过现场试验数据分析, 对比研究不同拱架支护参数对围岩应力变化规律, 优选该围岩段最佳支护参数。

1) 围岩与拱架接触压力对比分析 (见图10)

由以上试验数据分析可知, 断面1围岩与拱架接触压力一直呈现增长的趋势, 断面2围岩与拱架接触压力呈现缓慢增长的趋势, 到监测后期压力值已经趋于稳定, 表明此时围岩应力释放达到稳定, 同时, 可以发现断面2 I22b相较于断面1 I18围岩控制效果更加明显, 受力更加均匀。

2) 拱架应力对比分析 (见图11)

每个监测断面设置拱架应力监测点5个, 根据现场数据反馈及工程经验, 选取典型拱架受力点, 即拱顶处应力监测点进行数据分析。

由上述试验数据可知:①监测断面1 I18拱架受力一直处于持续增长状态, 未见稳定迹象, 在监测时间30d时, 从现场实际应用看, 监测断面拱架拱顶出现混凝土喷层开裂现象, 并及时采取了补强加固措施;②监测断面2 I22b拱架受力初期应力增长较快, 随后应力增长趋于平缓, 逐渐稳定, 相比较监测断面1数据, 拱架应力变化稳定, 受力均匀。

1) CD法、CRD法隧道开挖方式下拱顶最大位移、最大塑性应变及拱架受力均相差不明显。但是, 采用CRD法开挖, 施工顺序繁杂, 增加了人力、物力成本, 影响施工进度。因此综合考虑, 现场宜采用CD法开挖。

2) I18, I22b两种支护形式下拱顶位移、最大塑性应变及拱架受力数据相差明显。相比于I18支护, 采用I22b围岩支护效果更优。根据计算结果及现场施工经验, 本着安全施工的原则, 现场支护结构宜采用I22b支护。

3) 现场应用证明, 采用I22b支护在隧道围岩控制效果方面明显优于I18支护, 验证了数值试验计算的正确性。