施工方法對大斷面淺埋暗挖隧道力學變化影響的分析

黃春暉

【摘 要】大斷面淺埋暗挖隧道具有跨度大、覆土淺、開挖變形量大等特點，不同的施工方法導致圍巖和支護結構力學變化顯著。本文建立有限元模型重點模擬CD法和雙側壁導坑法兩種施工方法，分析隧道變形和塑性區變化差異。兩種方法在施工期間引起的隧道變形、塑性區發展范圍相差較大，其中雙側壁導坑法對隧道周邊圍巖控制變形和塑性區范圍更為有利。

【關鍵詞】大斷面；淺埋暗挖；施工方法；力學變化；有限元

引言

隨著交通量的劇增和高速公路的蓬勃發展，隧道建設越來越受到重視[1，2]。同發達國家相比，我國在公路隧道尤其是大斷面淺埋暗挖隧道的系統研究方面仍存在較大的差距。本文針對某高速公路大斷面淺埋暗挖隧道建立有限元模型，采用CD法、雙側壁導坑法兩種施工方法，對隧道的力學變化進行深入的模擬分析。

1.大斷面淺埋暗挖隧道模型

1.1工程概況

某高速公路小凈距隧道，單洞結構幾何斷面：凈寬15.15m，凈高9.99m，內凈空面積100.10m?。

初期支護參數為：

24cm×24cm格柵鋼架縱向間距0.5m；

φ8mm@20cm×20cm雙層鋼筋網；

30cm厚C25噴射混凝土；

鋼架設置Φ25mm縱向連接筋，環向間距0.5m。

1.2 有限元模型

計算采用的圍巖物理力學參數參照地質資料，對雙側壁導坑法、CD法等施工方法隧道支護參數均相同。

計算采用有限元軟件midas GTS，建立隧道-圍巖耦合模型。圍巖選用平面四節點實體單元模擬，材料特性符合彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準則；初期支護采用梁單元模擬，二次襯砌采用四節點實體單元來模擬，材料符合線彈性材料特性。模型不設置錨桿，注漿加固作用采用提高圍巖力學參數的方法來模擬。

模型計算范圍：水平方向以隧道中線為中心向左、向右各取側取30m；豎直方向自隧道底部向下取50m為模型底部邊界，自隧道頂部向上取至地面。

2.不同施工方法的受力分析

2.1 CD法計算結果

CD法施工左、右洞開挖完成后隧道圍巖結構豎向位移和水平位移分布如圖3、圖4。

由以上圖表可知：

1）左右洞開挖后，周邊圍巖的豎向沉降最大值出現在洞周拱肩位置，左、右洞最大沉降量分別10.0cm、10.5cm；最大隆起均發生在左側導坑隧底，分別為2.93cm、2.95cm。左右洞洞周水平位移分布規律基本相同，左右拱肩分別產生反向位移。說明左右導坑開挖時，開挖側由于土層開挖導致地層應力重分布，開挖側土壓力對初期支護產生作用，使其產生變形。

2）左右洞開挖后，豎向變形基本呈現對稱分布。豎向位移最大點均出現在靠近中巖柱側的拱肩位置，右洞豎向位移要略大于左洞。左洞先施工對圍巖造成了擾動，后開挖右洞之前需對中巖柱附近圍巖進行加固，防止開挖出現變形過大。洞周最大水平位移均發生在各洞室的左拱肩位置，左右拱肩位移呈現非對稱分布。說明右側導坑后開挖會對左側先開挖導坑造成一定的影響，施工過程中應做好臨時支護后再進行后開挖導坑的施工。

3）隨著左洞開挖，左洞左右拱肩的豎向位移均不斷增加，且左右拱肩豎向變形均出現在各側的上部開挖過程。已左拱肩為例，左上、左中、左下三步開挖時，左拱肩豎向變形分別占左拱肩總共豎向位移的48.1%、26.4%、15.2%。可見，左右側上部導坑是整個隧道開挖過程中關鍵的施工步驟。

2.2 雙側壁導坑法計算結果

雙側壁導坑法施工左右洞開挖后隧道圍巖結構豎向位移和水平位移分布如圖5、圖6。

由以上圖表可知：

1）雙側壁導坑法左洞開挖后，洞周圍巖豎向位移基本呈現對稱分布形式，最大豎向沉降出現在拱頂和左右導坑的拱肩位置；右洞后開挖時，圍巖的豎向位移呈現不對稱分布，最大豎向沉降出現在左洞的右拱肩部位，說明后開挖洞室對先開挖洞室產生較大影響。

2）左右洞開挖后，圍巖豎向隆起最大均出現在仰拱中心部位，但是豎向隆起的分布并不像左洞開挖時那樣對稱分布，并且左洞（先開挖）拱底隆起量要明顯大于右洞（后開挖）拱底隆起量。說明新開挖洞室要及早的進行拱底初期支護的封閉成環，控制拱底隆起位移。

3）左洞開挖過程中，洞室各特征點的豎向位移變化不相同。左上導坑、左中導坑開挖時，左拱肩豎向位移依次為 1.68cm、0.53cm，對于拱肩而言，該側上導坑、中導坑開挖是其豎向變形控制的關鍵施工步驟。對于拱底而言，中中導坑、中下導坑為其關鍵施工步驟。

3.CD法和雙側壁導坑法的變形對比

3.1變形

兩種施工方法下左右洞開挖圍巖各特征點豎向位移和水平位移見表3、表4。

不同施工方法開挖左洞后，洞周豎向位移變形分布差異較大。CD法和雙側壁導坑法，洞周最大位移均在左拱肩處。采用CD法和雙側壁導坑施工時，臨時支護將隧道分為若干小洞室，每個洞室變形均呈現單洞室變形特征。

采用CD法施工，右洞拱肩處豎向變形產生突變，右洞左右拱肩豎向變形分別由-1.55cm、-0.92cm增加到-10.52cm、-8.54cm，易導致塌方危險。故對于淺埋大斷面暗挖隧道宜采用雙側壁導坑法控制洞周變形。

3.2塑性區

CD法施工左、右洞圍巖塑性區主要集中在拱肩和拱腳處；而當右洞緊跟開挖后，圍巖塑性區主要分布在中巖柱，中巖柱底部塑性區已經貫通，這是因為右洞后開挖導致先開挖完成的左洞洞周圍巖產生應力重分布，塑性區開始由左洞洞周轉向左右洞之間的中巖柱部位。施工過程中要注意對中巖柱范圍提前加固，防止發生塌落等危險。

雙側壁導坑法施工左、右洞圍巖塑性區范圍非常小，主要分布在拱肩部位。左右洞洞周圍巖塑性區分布呈現非對稱分布，塑性區基本均出現在先行開挖左洞。說明雙側壁導坑法施工可以很好的控制洞周圍巖的變形，并且洞周主要塑性變形主要集中在先行開挖洞室一側。

4.結論

運用MIDAS有限元軟件對大跨度淺埋暗挖隧道進行了兩種施工方法的數值模擬，分析了在CD法和雙側壁導坑法兩種施工方法下隧道圍巖力學變化的特點，重點是受力和變形的情況。通過研究發現：CD法施工隧道豎向最大沉降量發生在左右拱肩位置，最大隆起發生在仰拱靠近拱腳側；而雙側壁導坑法對應的洞周最大豎向沉降發生在左右拱肩、拱頂三個位置，最大隆起發生在仰拱中心位置。得出如下結論：

（1）CD法和雙側壁導坑法施工時左右拱肩向隧道內側發生水平變形，左右邊墻發生水平變形，臨時支護將洞室分為若干小洞室，隧道受力近似為拱形受力狀態。所分小洞室越多、開挖步驟越精細、隧道變形量越小。

（2）采用CD法時，塑形區廣泛的分布在拱肩及拱腳處，中巖柱有塌方風險；采用雙側壁導坑法施工時，洞周塑性區只分布在靠近中巖柱側的拱肩處且范圍較小，相對較安全。

（3）淺埋大跨度暗挖隧道施工采用雙側壁導坑法能夠較好的控制洞周圍巖塑形區發展、較嚴格的控制隧道施工期間變形量、支護結構的受力同時也相對較小。

參考文獻：

[1]段慧玲， 張林. 大跨度公路隧道合理開挖方法對比研究[J]. 土木工程學報， 2009（09）：114-119.

[2]王亞奇. 大跨度公路隧道受力狀態監測及分析研究[D]. 中南大學， 2008.

[3]溫桂安， 王德仙. 大跨度黃土隧道施工技術[J]. 鐵道建筑技術， 2002（3）.

[4]王拓新. 大跨度黃土隧道施工方法研究[D]. 長安大學， 2012.

[5]夏鵬. 大跨度黃土隧道洞口淺埋段支護效果研究[D]. 長安大學， 2010.endprint