大跨度軟巖隧道淺埋區開挖方法優選

劉偉

(陜西省公路局，陜西西安 710068)

0 引言

集寧—呼和浩特高速公路旗下營隧道位于內蒙古自治區察哈爾右翼中旗烏蘭哈葉蘇木，屬大跨軟弱圍巖淺埋隧道。隧道斷面形式為三心圓曲墻式斷面，普通斷面開挖寬度16 m，高12 m，開挖面積約156.6 m2。隧道穿越剝蝕低山丘陵，最大埋深約150 m。隧道區屬于剝蝕丘陵山地地貌，隧址區上覆為第四系全新統沖積成因粉土、碎石、卵石、漂石等，下伏基巖為第三系礫巖、砂巖、砂礫巖及砂質泥巖等。隧道圍巖為Ⅴ級，巖質極軟，巖體破碎。在雨水浸潤易軟化，圍巖自穩能力差，無支護時拱部易塌方，側壁易失穩。

本文采用ABAQUS有限元軟件，就三臺階七步開挖方法與CD法的全過程進行了數值模擬。通過兩種工藝下地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂情況的對比分析表明，較三臺階七步開挖方法而言，CD法更適合于旗下營隧道的施工。

1 有限元模型

1.1 開挖工藝

三臺階七步法和CD法的開挖工藝如圖1所示。

1.2 有限元模型及參數選取

圖1 施工工藝

本文有限元分析按平面應變問題建立二維模型。為減少模型的邊界效應，選取的模型范圍為:下部取至隧道底部以下60 m，左右面邊界取至隧道外側55 m，上部取至隧道頂部以上20 m。模型的左、右邊界施加水平約束，底邊界施加豎向約束。有限元模型如圖2所示。

數值分析中，地表沉降沿垂直于隧道軸向方向間隔3 m均勻布置1～7共7個測點，其中4號測點位于隧道拱頂正上方。拱頂沉降和周邊收斂測點布置如圖3所示。

模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，圍巖采用實體單元，初期支護采用ABAQUS中具有“追蹤功能”的單元來模擬(通過ELCOPY關鍵字完成)，錨桿加固區通過等效強度方法實現。圍巖初始力可以通過未開挖前自重應力下提取各單元的應力，然后在模擬過程中將提取的各單元應力文件通過initial conditions關鍵字施加到模型上，從而可以在初始應力平衡下進行開挖模擬。

圖2 有限元模型

圖3 測點布置

模型相關參數如表1所示。

表1 材料參數

2 數值模擬結果

2.1 三臺階七步開挖模擬結果分析

圖4給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的豎向位移云圖。由圖4可知，隧道開挖完成后拱頂左、中、右三個測點的豎向沉降值分別為7.34 mm，7.49 mm和7.38 mm;中間測點的豎向沉降最大，由于隧道對稱開挖，左、右兩測點的沉降值相當。

圖4 豎向位移云圖（一）

圖5給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖5可知，對于周邊收斂，拱腰處水平凈空收斂值約為0.15 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為0.32 mm。

表2給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表2可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點，約為6.17 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。

表2 地表沉降(一)

2.2 CD法開挖模擬結果分析

圖6給出了隧道CD法開挖完成后豎向位移云圖。由圖6可知，隧道開挖完成后拱頂左測點的最終豎向沉降值約為6.14 mm，中間測點的最終豎向沉降值約為6.52 mm，右測點的最終豎向沉降值約為6.33 mm。

圖5 橫向位移云圖（一）

圖6 豎向位移云圖（二）

圖7給出了隧道CD法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖7可知，對于周邊收斂處拱腰水平凈空收斂值約為0.33 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為2.88 mm。

圖7 橫向位移云圖（二）

表3給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表3可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點，約為5.12 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。

表3 地表沉降(二)

2.3 兩種施工工藝的對比分析

由以上兩節分析可知，較三臺階七步法而言，采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值較大。

將表2和表3所得結果繪于圖8。由圖8可知，兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方4號測點，左、右測點地表沉降值基本上對稱于測點4分布。較三臺階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。

圖8 地表沉降

3 結語

以集呼高速旗下營隧道為工程背景，采用有限元軟件得到了CD法和三臺階七步法兩種開挖方案的數值結果。通過拱頂位移、水平凈空收斂以及地表沉降值的分析對比，得到了一些有益結論。

采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值略大。兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方，左、右測點地表沉降值基本上對稱于隧道中心線分布;較三臺階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。綜合分析可知大跨度軟巖隧道淺埋區采用CD法開挖對隧道的穩定性更加有利可靠。

［1］ 王 志.大跨度公路隧道淺埋段設計施工方案研究［J］.山西建筑，2011，37(18)：161-162.