煙臺某淺埋大跨小凈距隧道施工方法優(yōu)化分析

李光凱，劉志龍 （煙臺市公路管理局，山東 煙臺 264001）

1 概 述

小凈距隧道是介于普通分離式隧道和連拱隧道之間的一種新型隧道結構型式。因其不受地形地質條件限制，施工工藝簡單，造價易于控制，可有效提高運輸效率和保護利用環(huán)境的優(yōu)勢，目前在國內(nèi)外已有很多工程實例。

目前，國內(nèi)對于小凈距隧道的研究尚處于邊施工邊探討的總結階段，沒有明確的設計和施工規(guī)范，理論研究滯后于工程建設需求的發(fā)展。煙臺五卒山隧道出口段不僅是典型的小凈距隧道，且埋深淺，跨度大，具有很好的研究價值。本研究的結論和建議對指導小凈距隧道的設計和施工具有重要現(xiàn)實意義。

不同的開挖方式對隧道的影響是不同的，開挖方式?jīng)Q定著隧道圍巖的荷載釋放和變形方式，關系隧道的施工安全和建設成敗。小凈距隧道的間距小，中夾巖柱厚度小，兩隧道的相互影響程度較大，不同開挖方式的應力重分布和圍巖擾動程度有較大區(qū)別。因而，有必要對不同開挖方式下圍巖和支護結構的變形及力學特征進行研究，優(yōu)化隧道施工方案，確保隧道的施工安全和穩(wěn)定運營[1-3]。

2 施工方法

采用數(shù)值模擬的方法，計算分析不同工法圍巖的變形和力學特性，從而比較選擇更為安全可靠和經(jīng)濟合理的施工方法。依據(jù)工程地質條件和工程設計經(jīng)驗，選取CRD工法和雙側壁導坑法兩種工法進行對比分析。

CRD工法又稱交叉中隔壁法，施工中先開挖隧道一側的一部或二部，施作部分臨時中隔壁墻及臨時仰拱，再開挖隧道另一側的一部或二部，然后再開挖最先施工一側的最后部分，并延長中隔壁墻壁，最后開挖剩余部分的施工方法。

雙側壁導坑法是新奧法的一個分支，又稱眼睛工法。施工中先開挖一側導坑，施作初期支護，再開挖另一側導坑并作支護，然后開挖上部核心土，作頂拱支護，最后開挖下臺階部分，作仰拱支護[4-5]。

圖1 CRD工法的有限差分網(wǎng)格

圖2 雙側壁導坑法的有限差分網(wǎng)格

3 數(shù)值建模

3.1 斷面選取

計算假定隧道為無限長，按照平面應變問題開挖求解，選取出口段樁號為ZK8+320的斷面為研究對象。該斷面圍巖為V類圍巖，埋深約為7m，地層結構主要為第四系粘性土及變粒巖、片巖等變質巖，巖性較差，巖體較破碎，斷面附近存在構造破碎帶，水蝕現(xiàn)象較嚴重。

3.2 隧道模型

隧道斷面形狀為三心圓加仰拱型式，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為17.52m，高為11.5m。由有限元計算程序ANSYS11.0建立有限元模型，并導入FLAC3D程序，得到有限差分網(wǎng)格模型。圍巖采用四邊形網(wǎng)格實體單元模擬，支護采用FLAC3D的結構單元模擬[6-8]。

CRD工法和雙側壁導坑法的有限差分網(wǎng)格分別如圖1、圖2所示。其中CRD工法有限差分模型劃分成9528個節(jié)點，6138個單元；雙側壁導坑法有限差分模型劃分成11994個節(jié)點，7734個單元。

原巖物理力學參數(shù)表 表1

CRD工法開挖步4監(jiān)測點的位移值表 表2

3.3 邊界條件

為減小邊界效應的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點為原點，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開挖直徑，即左、右邊界為80m，下邊界為-60m，上邊界為地表，隧道軸線方向取1.0m。計算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。

3.4 計算參數(shù)

圍巖采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，根據(jù)《巖土工程勘察報告》和相關規(guī)范，巖樣的物理力學計算參數(shù)如表1所示。

4 結果分析

為便于比較分析，在隧道周邊選取8個監(jiān)測點，在計算后提取監(jiān)測點的位移進行分析比較。CRD工法及雙側壁導坑工法完全開挖后部分關鍵監(jiān)測點位移如表2、表3所示。

分析以上計算結果得出：CRD工法和雙側壁導坑法各開挖步洞周的水平和豎向位移值接近，雙側壁導坑法的位移值略大。

5 結 論

雙側壁導坑法開挖步4監(jiān)測點的位移值表 表3

綜合以上位移場、應力場和塑性區(qū)的計算結果分析得出：針對本工程，CRD工法在位移和變形控制上優(yōu)于雙側壁導坑法，但殼單元模擬下CRD工法的塑性區(qū)較雙側壁導坑法大。考慮施工工藝和工程造價因素，CRD工法的施工工藝和造價均優(yōu)于雙側壁導坑法。但不同工程、不同地質情況下，兩種工法的位移、應力及塑性區(qū)特征均會不同，具體工程中應參照本研究的數(shù)值模擬分析過程，進行比選，確定最優(yōu)的施工工法。

[1]王偉峰，畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選[J].巖土力學，2007(S1).

[2]龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學，2009（1）.

[3]姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學特征及加固措施研究[J].巖土力學，2007（9）.

[4]李云鵬，王銀芝，韓常領.不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學，2006（1）.

[5]曹林，胡居義，黎冬林.小凈距公（雙洞）隧道圍巖破壞模式研究[J].中國地質災害與防治學報，2007（3）.

[6]孫訓芳，等.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[7]陳育民.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[8]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.