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摘要：以墩梁隧道为工程背景，分析在特大断面黄土隧道中用双侧壁导坑法施工围岩的沉降和收敛变形规律。结果表明：后行导坑的仰拱闭合对侧导坑围岩稳定有至关重要的影响；两侧导坑的开挖应力遵循同一路径，表现出一定的独立性；临时支撑体系承担了开挖过程中的大部分围岩压力；侧导坑水平收敛值与后行导坑仰拱闭合时间呈明显的正相关关系；中导坑开挖对围岩变形影响不大。
关键词：双侧壁导坑法，大断面；黄土隧道；围岩变形
Abstract: the pier beam tunnel engineering background and analysis in the heavy section in loess tunnel meshshotcreting firstly construction method, the settlement of surrounding rock mass deformation and convergence. The results show that: the final DaoKeng arch of the DaoKeng closed up surrounding rock stability have very important influence; The excavation of stress on both sides DaoKeng follow the same path, show some of the independence; Temporary support system for most of the excavation process surrounding rockmass pressure; Side DaoKeng value and DaoKeng lookahead horizontal convergence supine arch is obviously the time was associated; DaoKeng excavation of surrounding rockmass deformation of the impact is not big.
Keywords: meshshotcreting firstly method, large sections; The loess tunnel; Wallrock deformation
中圖分类号：TU 45 文献标识码：
1 引言
我国在高速公路黄土隧道建设领域起步较晚，施工过程中大部分是借鉴铁路隧道的施工经验成果，但是由于公路黄土隧道存在着跨径大、断面大、扁平率小等设计特点以外，还具有黄土围岩强度低、地质构造复杂多变、防排水设计要求等级高、开挖过程中变形大等施工难度，尤其是在开挖后受到变形控制等其他因素影响，施工难度很大[1-2]。目前国内修建大断面黄土隧道的理论水平远远落后于工程经验，设计和施工尚处于总结和积累经验阶段，无相应的设计、施工技术规范[3]。已有文献在铁路隧道方面取得了一些成果[4-7]，大多数文献从施工方案论述角度入手，缺乏深入的剖析。本文以神府高速公路墩梁隧道为研究对象，对大断面黄土公路隧道双侧壁导坑法施工引起的围岩变形，从开挖到稳定进行全过程监测，分析施工工序与围岩变形规律的相互关系。
2工程背景
2.1 工程概况
墩梁隧道为分离式双向六车道公路隧道，左线长1281.7m，右线长1380.2m，开挖跨度17.3m，开挖高度12m，扁平率0.69，开挖面积170m2，是目前开挖跨度最大的黄土隧道。隧道处于具有代表性质的黄土梁峁沟壑区，部分段落存在偏压、浅埋和湿陷性黄土地段（II—IV湿陷性）；施工过程中穿越粉砂性黄土、马兰组风成黄土和中更新统离石组风成黄土，地形、地质构造情况具有极强的代表性；施工过程中围岩含水量在不同段落变化较大，且隧道节理发育也存在较大变化。
2.2 施工方案
双侧壁导坑施工法在软弱围岩隧道中有较为广泛的应用[8-10]，其具备围岩单次开挖半径小，临空面积小，初期支护施设迅速，能及时形成闭合内环，围岩变形便于控制等优点；同时也存在工序多，临时支撑建拆复杂，施工进度缓慢等缺点。总体上来说，双侧壁导坑法是一种偏安全的施工方法，在浅埋、偏压等不利工况下，应优先采用。
施工方案将隧道断面分为9个部分，如图1所示。一侧导坑先行，先行导坑上台阶开挖，每次开挖1～2榀（每榀长度0.75m），并与中台阶拉开5m左右，开挖中台阶2～4榀，再开挖下台阶2～4榀，并与中台阶步距控制在5m左右距离；待先行侧壁导坑掘进35m时开始后行侧壁导坑开挖，在开挖过程中仍然遵循上中下台阶施工距离，以防止由于距离太小发生坍塌后沉降过大。最后进行中导坑开挖，并滞后后行侧壁导坑15m左右。最后拆除侧壁临时支撑并仰拱开挖，仰拱开挖长度约7m。在浅埋段利用双侧壁导坑法施工月平均进尺30m~40m。
图1 双侧壁导坑法开挖断面分部 图2变形监测点布置方案
3监测方案
由于导坑内采用上中下台阶开挖，拱脚处下沉水准尺很难进行观测，且导坑开挖隧道净空高度大，人工挂钢尺比较困难，观测时间长，与其他施工工序干扰大，挂钢尺进行测量时间较长，影响工程进度和各工序之间紧密配合。鉴于以上原因，采用高精度全站仪和塑料反光膜片代替传统的反光棱镜进行隧道变形量测，主要按照全站仪对边测量程序进行，利用三维坐标测量辅助判断位移的方向，监测间隔时间应根据工况及变形稳定程度随时进行调整。围岩压力呈“马鞍型”分布形状[11]，因此需加强对围岩中上部的测量监测。监测点布设方案如图2所示。
4 围岩变形规律分析
选取典型断面RK27+096.8和RK27+089.6进行分析。两断面相差仅7.2m，均处于右线出口浅埋段，断面的围岩分层情况、隧洞上覆土厚度、施工进度均基本相同，由两个断面得出的共同结论具有较强的代表性和可信度。
4.1 侧导坑沉降变形分析
由图3和图4综合分析可以得出两图有以下共同规律：
(1) 虽然两侧导坑的开挖起始时间不同，但左导坑仰拱初支闭合后，沉降变形均明显趋于稳定，变形速率明显减小。这说明左侧导坑（即后行导坑）的仰拱初支闭合是控制变形的关键措施，因此应及早进行仰拱初支闭合。
图3RK27+096.8断面侧导坑沉降-时间关系曲线
图4RK27+089.6断面侧导坑沉降-时间关系曲线
(2) 两侧导坑相应的监测点变化曲线几乎平行，在导坑开挖后同一暴露时间下，其围岩变形量是相同的。这说明在双侧壁导坑法开挖法下，关于中线轴对称分布的点位其应力变化路径是相同的，导坑围岩的变形规律和变形值大小与导坑开挖先后顺序无关。但由于先行开挖导坑的暴露时间长，所以其最终累计的变形值大于后开挖的导坑。
(3) 在同一个导坑中，拱部和永久侧平均下沉速率4mm/d，临时支撑拱腰位置平均下沉速率6mm/d，临时侧沉降沉降量和沉降速率均明显大于拱顶和永久侧沉降，而拱顶和永久侧沉降量几乎相同，拱顶略大。这说明在开挖过程中围岩释放的压应力绝大部分转移到临时支撑上，因此临时支撑应选择合适的型钢，其强度必须满足压应力的要求。
(4) 导坑中部、下部及仰拱开挖均会对拱顶及临时支撑下沉造成影响，当左右侧导坑挖至同一断面时，先行导坑拱部最大下沉量为30mm，临时支撑最大沉降为42mm，在仰拱拱闭合后另一导坑施工中对先行导坑的沉降影响减小，根据步距和施工速率不同，先行导坑沉降速率约为0.6mm~1.3mm；在另一导坑地拱闭合或沉降趋于稳定，此时导坑拱部和临时支撑侧累计沉降达43mm和78mm。
4.2 侧导坑收敛变形分析
图5RK27+096.8断面侧导坑收敛-时间关系曲线
图6RK27+089.6断面侧导坑收敛-时间关系曲线
收敛值的计算方式为：临时侧水平位移值减去边墙侧水平位移值。在RK27+096.8断面，右侧导坑的监测点由于施工破坏，于9月10号重新布置量测，前后监测点位置有所偏差，所以在曲线初始阶段出现上下波动形态。通过对其他断面的监测数据分析整理，收敛值的变化规律基本与图6所示相同，即：两侧导坑的水平收敛呈现出与沉降相似的规律，两侧导坑的收敛曲线近似平行，在同一暴露时长下其变形值相同；左导仰拱闭合后水平收敛均趋于稳定，甚至出现下降趋势；同一时刻，先行导坑的收敛值大于后行导坑。
在后行导坑仰拱闭合之后，中导坑开挖之前，开挖断面内存在临时钢架支撑、钢筋网及喷锚混凝土初衬、侧导坑仰拱等支护措施，加之中导坑未开挖的土体承担了部分竖向压应力，同时可以抑制临时钢架支撑的侧向变形，形成了较为完整的支护体系，因此在后行导坑仰拱闭合后，围岩基本可以达到稳定状态。这种稳定状态越早形成，对控制围岩变形越有利。为了进一步证明该设想的正确性，将RK27+089.6和RK27+096.8两断面的收敛值与两侧导坑在开挖至后行导坑初支仰拱闭合这段时间（下文简称暴露时间）里的相互关系整理如表1所示，可以看出，暴露时间与水平收敛值呈明显的正相关关系。
表1暴露时间与水平收敛值关系表
RK27+096.8 RK27+089.6
暴露时间 水平收敛值 暴露时间 水平收敛值
右侧导坑 32d 34mm 34d 52mm
左侧导坑 21d 44mm 20d 38mm
4.2 中导坑拱顶沉降变形分析
图7RK27+096.8拱部沉降时间关系图
图8RK27+089.6拱部沉降时间关系图
中导坑的开挖暂时打破了前文所说的稳定状态，削弱了临时支护体系的作用，但是这种削弱效果是有限的。图7和图8显示中导坑开挖后，拱顶沉降最大值在20mm左右，这表明在侧导坑初支体系形成之后进行中导坑开挖可以很好地控制拱顶沉降。在进行中导坑开挖支护后，拱部平均下沉速率为5mm/d；中导坑仰拱开挖对拱顶沉降速率影响较大，开挖后最大下沉速率为8mm/d，在仰拱施工完毕后基本趋于稳定。
5 结论
通过对双侧壁导坑法施工墩梁特大断面黄土隧道监测数据的详细分析，得出了较为有价值的结论如下：
(1) 后行导坑仰拱闭合是双侧壁导坑法的关键步序。后行导坑仰拱闭合之后，在开挖断面内形成较为完整的支护体系，侧导坑的沉降和收敛值均趋于稳定。
(2) 两侧导坑开挖过程中的应力路径遵循同一规律，在先行导坑仰拱闭合后，后行导坑对其的影响减小，由于先行导坑仰拱闭合较早，所以表现出两侧导坑应力路径的独立性。
(3) 侧导坑的临时钢架支撑承担了大部分的围岩释放压力。临时钢架支撑的变形远大于围岩的变形。
(4) 侧导坑水平收敛值与后行导坑仰拱闭合时间密切相关，两者呈明显的正相关关系。
(5) 中导坑上、中台阶的开挖对围岩稳定性影响不大，而中导坑仰拱部位开挖会加剧围岩变形速率，在仰拱闭合后趋于稳定。
参考文献：
[1] 霍润科, 黄沛, 宋战平, 刘青. 隧道施工对黄土松动区内力和位移影响研究[J]. 岩土力学, 2009,30(增刊2):273-276.
[2] 钟祖良, 刘新荣, 袁飞, 瞿万波. 仰拱一次性开挖长度对黄土连拱隧道稳定性影响研究[J]. 岩土工程学报, 2008,30(3): 462-466.
[3] 扈世民, 张顶立, 王梦恕. 大断面黄土隧道开挖引起的围岩力学响应[J]. 中国铁道科学, 2011,32(5): 50-55.
[4] 方錢宝, 马建林, 喻渝, 杨建民, 王新东. 大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究[J]. 岩土力学与工程学报, 2009, 28(增刊2): 3932-3937.
[5] 王明年, 郭 军, 罗禄森, 喻渝, 杨建民, 谭忠盛. 高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J]. 岩土力学, 2010,31(4): 1157-1162.
[6] 周济民, 何川, 方勇, 谭准. 黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(1): 165-171.
[7] 赵东平, 喻渝, 王明年, 杨建民. 大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究[J]. 现代隧道技术, 2009, 46(6): 64-69.
[8] 张英才, 胡国伟, 辛振省. 大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择[J]. 铁道工程学报,2010,3: 87-92.
[9] 董晓波. CRD与双侧壁工法在铁路客运专线湿陷性黄土大断面隧道施工中的应用[J]. 铁道标准设计, 2008(10): 75-77.
[10] 宋长银. 黄土隧道施工——双侧壁导坑法[J]. 甘肃科技, 2009,25(17): 126-129.
[11] 李宁. 大断面黄土隧道双侧壁导坑法的力学行为研究[J]. 铁道标准设计, 2009(增刊): 122-124.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：双侧壁导坑法，大断面；黄土隧道；围岩变形
Abstract: the pier beam tunnel engineering background and analysis in the heavy section in loess tunnel meshshotcreting firstly construction method, the settlement of surrounding rock mass deformation and convergence. The results show that: the final DaoKeng arch of the DaoKeng closed up surrounding rock stability have very important influence; The excavation of stress on both sides DaoKeng follow the same path, show some of the independence; Temporary support system for most of the excavation process surrounding rockmass pressure; Side DaoKeng value and DaoKeng lookahead horizontal convergence supine arch is obviously the time was associated; DaoKeng excavation of surrounding rockmass deformation of the impact is not big.
Keywords: meshshotcreting firstly method, large sections; The loess tunnel; Wallrock deformation
中圖分类号：TU 45 文献标识码：
1 引言
我国在高速公路黄土隧道建设领域起步较晚，施工过程中大部分是借鉴铁路隧道的施工经验成果，但是由于公路黄土隧道存在着跨径大、断面大、扁平率小等设计特点以外，还具有黄土围岩强度低、地质构造复杂多变、防排水设计要求等级高、开挖过程中变形大等施工难度，尤其是在开挖后受到变形控制等其他因素影响，施工难度很大[1-2]。目前国内修建大断面黄土隧道的理论水平远远落后于工程经验，设计和施工尚处于总结和积累经验阶段，无相应的设计、施工技术规范[3]。已有文献在铁路隧道方面取得了一些成果[4-7]，大多数文献从施工方案论述角度入手，缺乏深入的剖析。本文以神府高速公路墩梁隧道为研究对象，对大断面黄土公路隧道双侧壁导坑法施工引起的围岩变形，从开挖到稳定进行全过程监测，分析施工工序与围岩变形规律的相互关系。
2工程背景
2.1 工程概况
墩梁隧道为分离式双向六车道公路隧道，左线长1281.7m，右线长1380.2m，开挖跨度17.3m，开挖高度12m，扁平率0.69，开挖面积170m2，是目前开挖跨度最大的黄土隧道。隧道处于具有代表性质的黄土梁峁沟壑区，部分段落存在偏压、浅埋和湿陷性黄土地段（II—IV湿陷性）；施工过程中穿越粉砂性黄土、马兰组风成黄土和中更新统离石组风成黄土，地形、地质构造情况具有极强的代表性；施工过程中围岩含水量在不同段落变化较大，且隧道节理发育也存在较大变化。
2.2 施工方案
双侧壁导坑施工法在软弱围岩隧道中有较为广泛的应用[8-10]，其具备围岩单次开挖半径小，临空面积小，初期支护施设迅速，能及时形成闭合内环，围岩变形便于控制等优点；同时也存在工序多，临时支撑建拆复杂，施工进度缓慢等缺点。总体上来说，双侧壁导坑法是一种偏安全的施工方法，在浅埋、偏压等不利工况下，应优先采用。
施工方案将隧道断面分为9个部分，如图1所示。一侧导坑先行，先行导坑上台阶开挖，每次开挖1～2榀（每榀长度0.75m），并与中台阶拉开5m左右，开挖中台阶2～4榀，再开挖下台阶2～4榀，并与中台阶步距控制在5m左右距离；待先行侧壁导坑掘进35m时开始后行侧壁导坑开挖，在开挖过程中仍然遵循上中下台阶施工距离，以防止由于距离太小发生坍塌后沉降过大。最后进行中导坑开挖，并滞后后行侧壁导坑15m左右。最后拆除侧壁临时支撑并仰拱开挖，仰拱开挖长度约7m。在浅埋段利用双侧壁导坑法施工月平均进尺30m~40m。
图1 双侧壁导坑法开挖断面分部 图2变形监测点布置方案
3监测方案
由于导坑内采用上中下台阶开挖，拱脚处下沉水准尺很难进行观测，且导坑开挖隧道净空高度大，人工挂钢尺比较困难，观测时间长，与其他施工工序干扰大，挂钢尺进行测量时间较长，影响工程进度和各工序之间紧密配合。鉴于以上原因，采用高精度全站仪和塑料反光膜片代替传统的反光棱镜进行隧道变形量测，主要按照全站仪对边测量程序进行，利用三维坐标测量辅助判断位移的方向，监测间隔时间应根据工况及变形稳定程度随时进行调整。围岩压力呈“马鞍型”分布形状[11]，因此需加强对围岩中上部的测量监测。监测点布设方案如图2所示。
4 围岩变形规律分析
选取典型断面RK27+096.8和RK27+089.6进行分析。两断面相差仅7.2m，均处于右线出口浅埋段，断面的围岩分层情况、隧洞上覆土厚度、施工进度均基本相同，由两个断面得出的共同结论具有较强的代表性和可信度。
4.1 侧导坑沉降变形分析
由图3和图4综合分析可以得出两图有以下共同规律：
(1) 虽然两侧导坑的开挖起始时间不同，但左导坑仰拱初支闭合后，沉降变形均明显趋于稳定，变形速率明显减小。这说明左侧导坑（即后行导坑）的仰拱初支闭合是控制变形的关键措施，因此应及早进行仰拱初支闭合。
图3RK27+096.8断面侧导坑沉降-时间关系曲线
图4RK27+089.6断面侧导坑沉降-时间关系曲线
(2) 两侧导坑相应的监测点变化曲线几乎平行，在导坑开挖后同一暴露时间下，其围岩变形量是相同的。这说明在双侧壁导坑法开挖法下，关于中线轴对称分布的点位其应力变化路径是相同的，导坑围岩的变形规律和变形值大小与导坑开挖先后顺序无关。但由于先行开挖导坑的暴露时间长，所以其最终累计的变形值大于后开挖的导坑。
(3) 在同一个导坑中，拱部和永久侧平均下沉速率4mm/d，临时支撑拱腰位置平均下沉速率6mm/d，临时侧沉降沉降量和沉降速率均明显大于拱顶和永久侧沉降，而拱顶和永久侧沉降量几乎相同，拱顶略大。这说明在开挖过程中围岩释放的压应力绝大部分转移到临时支撑上，因此临时支撑应选择合适的型钢，其强度必须满足压应力的要求。
(4) 导坑中部、下部及仰拱开挖均会对拱顶及临时支撑下沉造成影响，当左右侧导坑挖至同一断面时，先行导坑拱部最大下沉量为30mm，临时支撑最大沉降为42mm，在仰拱拱闭合后另一导坑施工中对先行导坑的沉降影响减小，根据步距和施工速率不同，先行导坑沉降速率约为0.6mm~1.3mm；在另一导坑地拱闭合或沉降趋于稳定，此时导坑拱部和临时支撑侧累计沉降达43mm和78mm。
4.2 侧导坑收敛变形分析
图5RK27+096.8断面侧导坑收敛-时间关系曲线
图6RK27+089.6断面侧导坑收敛-时间关系曲线
收敛值的计算方式为：临时侧水平位移值减去边墙侧水平位移值。在RK27+096.8断面，右侧导坑的监测点由于施工破坏，于9月10号重新布置量测，前后监测点位置有所偏差，所以在曲线初始阶段出现上下波动形态。通过对其他断面的监测数据分析整理，收敛值的变化规律基本与图6所示相同，即：两侧导坑的水平收敛呈现出与沉降相似的规律，两侧导坑的收敛曲线近似平行，在同一暴露时长下其变形值相同；左导仰拱闭合后水平收敛均趋于稳定，甚至出现下降趋势；同一时刻，先行导坑的收敛值大于后行导坑。
在后行导坑仰拱闭合之后，中导坑开挖之前，开挖断面内存在临时钢架支撑、钢筋网及喷锚混凝土初衬、侧导坑仰拱等支护措施，加之中导坑未开挖的土体承担了部分竖向压应力，同时可以抑制临时钢架支撑的侧向变形，形成了较为完整的支护体系，因此在后行导坑仰拱闭合后，围岩基本可以达到稳定状态。这种稳定状态越早形成，对控制围岩变形越有利。为了进一步证明该设想的正确性，将RK27+089.6和RK27+096.8两断面的收敛值与两侧导坑在开挖至后行导坑初支仰拱闭合这段时间（下文简称暴露时间）里的相互关系整理如表1所示，可以看出，暴露时间与水平收敛值呈明显的正相关关系。
表1暴露时间与水平收敛值关系表
RK27+096.8 RK27+089.6
暴露时间 水平收敛值 暴露时间 水平收敛值
右侧导坑 32d 34mm 34d 52mm
左侧导坑 21d 44mm 20d 38mm
4.2 中导坑拱顶沉降变形分析
图7RK27+096.8拱部沉降时间关系图
图8RK27+089.6拱部沉降时间关系图
中导坑的开挖暂时打破了前文所说的稳定状态，削弱了临时支护体系的作用，但是这种削弱效果是有限的。图7和图8显示中导坑开挖后，拱顶沉降最大值在20mm左右，这表明在侧导坑初支体系形成之后进行中导坑开挖可以很好地控制拱顶沉降。在进行中导坑开挖支护后，拱部平均下沉速率为5mm/d；中导坑仰拱开挖对拱顶沉降速率影响较大，开挖后最大下沉速率为8mm/d，在仰拱施工完毕后基本趋于稳定。
5 结论
通过对双侧壁导坑法施工墩梁特大断面黄土隧道监测数据的详细分析，得出了较为有价值的结论如下：
(1) 后行导坑仰拱闭合是双侧壁导坑法的关键步序。后行导坑仰拱闭合之后，在开挖断面内形成较为完整的支护体系，侧导坑的沉降和收敛值均趋于稳定。
(2) 两侧导坑开挖过程中的应力路径遵循同一规律，在先行导坑仰拱闭合后，后行导坑对其的影响减小，由于先行导坑仰拱闭合较早，所以表现出两侧导坑应力路径的独立性。
(3) 侧导坑的临时钢架支撑承担了大部分的围岩释放压力。临时钢架支撑的变形远大于围岩的变形。
(4) 侧导坑水平收敛值与后行导坑仰拱闭合时间密切相关，两者呈明显的正相关关系。
(5) 中导坑上、中台阶的开挖对围岩稳定性影响不大，而中导坑仰拱部位开挖会加剧围岩变形速率，在仰拱闭合后趋于稳定。
参考文献：
[1] 霍润科, 黄沛, 宋战平, 刘青. 隧道施工对黄土松动区内力和位移影响研究[J]. 岩土力学, 2009,30(增刊2):273-276.
[2] 钟祖良, 刘新荣, 袁飞, 瞿万波. 仰拱一次性开挖长度对黄土连拱隧道稳定性影响研究[J]. 岩土工程学报, 2008,30(3): 462-466.
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[5] 王明年, 郭 军, 罗禄森, 喻渝, 杨建民, 谭忠盛. 高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J]. 岩土力学, 2010,31(4): 1157-1162.
[6] 周济民, 何川, 方勇, 谭准. 黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(1): 165-171.
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[11] 李宁. 大断面黄土隧道双侧壁导坑法的力学行为研究[J]. 铁道标准设计, 2009(增刊): 122-124.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。