基于牛寨山大跨度隧道施工方法優化分析

■程 怡 王 鳳 陳建飛 黃學漾

(1.陽光學院土木工程學院，福州 350015；2.福建省建筑科學研究院，福州 350025）

基于牛寨山大跨度隧道施工方法優化分析

■程 怡1王 鳳1陳建飛1黃學漾2

(1.陽光學院土木工程學院，福州 350015；2.福建省建筑科學研究院，福州 350025）

本文以金井灣大道牛寨山隧道為工程背景，基于精細化有限元模型，模擬了雙側壁導坑法與上斷面導坑法兩種隧道開挖方法，并對其進行優化分析，分析結果表明：兩種開挖方法臨時支承的內力相差不大，承載能力均滿足要求；上斷面導坑法拱腳處彎矩較大承載力不滿足要求，而雙側壁導坑法雖然承載力滿足要求，但工期過長；通過在左上導坑與右上導坑分別增加一道豎撐的優化方法，可使上斷面導坑法承載力滿足要求；故可使用優化后的上斷面導坑法進行工程背景隧道開挖。本文所述的基于有限元分析的隧道開挖方法比選方式可為其他類似工程提供借鑒作用。

大跨度隧道 有限元模型 雙側壁導坑法 上斷面導坑法 優化分析

1 引言

近年來，我國公路建設快速發展,公路不斷向山區延伸，公路隧道建設工程急劇增多，隧道工程設計水平和施工方法也不斷完善，大跨度隧道不斷涌現[1]。在大跨度隧道修建中，如何選擇正確的施工方法，以保證工程的安全建設和經濟效益是一個非常重要的課題[1]。隧道在復雜條件下的施工是一個在時間和空間上根據實際工程條件，應用合理的開挖方式和施工方法、選取合理的支護參數和時機以保證洞室圍巖穩定的過程。正確分析施工過程中圍巖的力學性態以及對隧道圍巖與支護體的相互作用進行切合實際的研究，是保證復雜條件下隧道安全、快速、經濟施工的首要前提和必要條件。

在大跨度隧道或者地下空間結構開挖施工過程中，勢必會影響原有地形，改變結構周圍土體的力學特性，導致地表發生沉降，嚴重影響周邊建筑物的安全。因此，合理的隧道開挖方法和輔助工法的選擇對維護地下工程中地下結構的穩定性有著重要作用[2-5]。上世紀70年代，Wittke[1]首先提出了地下隧道施工開挖步驟的概念；Dolezeloval[1]研究了施工順序對地下隧洞的穩定性影響，指出不同的施工順序將導致不同的計算結果。近些年來三導洞法、臺階法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法等方法[1]被經常用于大跨度隧道的開挖。在隧道開挖前需對不同的方法進行方案比選，方可得到最佳的開挖方法。

基于此，以金井灣大跨度隧道為工程實例，通過數值模擬和對比分析，開展大跨度隧道施工開挖方法研究，對大跨度隧道在施工技術方面實現突破與創新，為類似工程的方案比選提供借鑒作用。

2 工程概況

金井灣大道為平潭綜合實驗區 “一環兩縱三橫”城市快速路及城市主干道系統中的東西向快速路。金井灣大道牛寨山隧道位于平潭城區西側，設計為分離式雙向八車道，單洞開挖寬度達21m。隧道進口位于東壁村，出口位于紅山村。隧道北線(左線）總長868m，南線(右線）總長829m。建筑限界18×5m。隧道線平面位于直線及半徑2000m的圓曲線上，縱向均按雙向坡設計，坡度分別為+0.3%、-0.3%。進出口洞門形式均為削竹式洞門。隧道采用燈光照明，機械通風。隧道設車行橫洞一處，人行橫洞二處。

3 有限元數值模擬

在大跨度隧道開挖過程中通常采用分部開挖方法，如雙側壁導坑法、CRD法、上斷面導坑法、臺階法等。采用分部開挖時，開挖方法的選擇會直接影響隧道圍巖的受力特性和變形。為分析不同的開挖方法對地表沉降、圍巖變形及圍巖塑性區的影響,通過有限元程序,結合工程實際針對雙側壁導坑法和上斷面導坑法進行數值模擬分析。

3.1 有限元模型

采用MIDASSOILWORS軟件進行隧道開挖方法模擬，根據工程地質勘查報告，選定的具體地層參數見表1。

表1 地層參數

結構參數按實際噴混凝土厚度取值，建立隧道總體模型，如圖1所示，細部模型如圖2所示。

圖1 結構總體模型

圖2 隧道細部模型

3.2 雙側壁導坑法

雙側壁導坑法開挖為應用較為廣泛的施工方法，施工技術成熟。其主要施工步序為：原地基應力分析→左上導坑→左下導坑→右上導坑→右下導坑→中上導坑→中下導坑→拆除中隔墻，每一導坑分別完成開挖、初噴、硬化三個工序，如圖3所示。

圖3 雙側壁導坑法開挖示意圖

通過初步分析，如圖4、5、6所示，隧道永久初期支護內力滿足要求。臨時初期支護主要針對彎矩產生的大偏心破壞，根據上述計算結果，在左下導坑硬化和中下導坑硬化兩個關鍵步序中，危險截面內力組合(彎矩，軸力）分別為 90.9kN·m，202.1kN 和 84kN·m，785kN。 上述內力為每延米臨時初期支護截面，即1m寬，0.2m厚C25混凝土截面與兩根工16組合截面承受的內力，通過型鋼組合截面計算，截面強度滿足要求，但V級圍巖雙側壁導坑法開挖施工工序較多，施工進度較慢。

圖4 左下導坑硬化步序內力圖(雙側壁導坑法）

圖5 中下導坑硬化步序內力圖(雙側壁導坑法）

圖6 拆除中隔墻步序內力圖(雙側壁導坑法）

3.3 上斷面導坑法

V級圍巖采用上斷面導坑法，施工步序為：原地基應力分析→左上導坑→右上導坑→中上導坑→左下導坑→右下導坑→中下導坑→拆除中隔墻，每一導坑分別完成開挖、初噴、硬化三個工序，如圖7所示。該工法施工進度較快，但在四車道隧道中可借鑒的成功經驗較少。

圖7 上斷面導坑法開挖示意圖

根據計算結果，如圖8、9、10所示，在中下硬化步序和拆除內撐步序中，內力結果與雙側壁導坑法相差無幾，截面滿足強度要求。但在中上硬化步序中，危險截面內力組合(彎矩，軸力）為 171.6kN·m、23kN，已經超過臨時初支型鋼組合截面能夠承受的內力。因此該方法雖可大大縮短工期，但其承載能力不能滿足安全施工要求。

圖8 中上導坑硬化步序內力圖(上斷面導坑法）

圖9 中下導坑硬化步序內力圖(上斷面導坑法）

3.4 上斷面導坑法優化

如圖8所示，上斷面導坑法在上部三個導洞開挖完成后，拱腳處出現的彎矩較大、軸力較小，承載力不滿足要求，其主要原因是由于拱的矢跨比太小，造成拱腳應力過大。若采用上斷面導坑法需采取加強措施，即在左上導坑與右上導坑分別增加一道型鋼豎撐以消減拱腳處彎矩，保證施工安全，如圖11所示。

圖10 拆除中隔墻步序內力圖(上斷面導坑法）

圖11 上斷面導坑法優化方案

根據計算結果，如圖12、13、14所示，優化后的上斷面導坑法在中下硬化步序、拆除中隔墻步序中，內力結果均較小，截面滿足強度要求。在中上硬化步序，因左上導坑與右上導坑均增加了一道豎撐，危險截面內力組合(彎矩，軸力）由原上斷面導坑法的171.6kN·m，23kN優化為106.4kN·m，147kN，彎矩降低，軸力增大，截面強度滿足要求。且其工期大大短于雙側壁導坑法，因此可采用優化后的上斷面導坑法進行施工。

4 結論

通過計算分析，在V級圍巖大跨度隧道中采用導坑法施工時，可以得出以下幾點結論：

(1）雙側壁導坑法和上斷面導坑法中的永久支撐在拆除臨時支撐后彎矩均較小，承載力均滿足要求，六個導洞均開挖完后，兩種開挖方法臨時支撐的內力相差不大，承載力均能滿足要求；

圖12 中上導坑硬化步序內力圖(優化后的上斷面導坑法）

圖13 中下導坑硬化步序內力圖(優化后的上斷面導坑法）

(2）上斷面導坑法在上部三個導洞開挖完成后，拱腳處的彎矩較大、軸力較小，承載力不滿足要求，雙側壁導坑法在開挖過程中避免了過小的拱矢跨比出現，因此拱腳彎矩較小，同時因雙側壁導坑法臨時支撐的不利位置在于豎向支撐，而豎向支撐存在較大軸力，當彎矩造成大偏心破壞情況時，軸力是有利的，然而雙側壁導坑法施工進度較慢，難以滿足工期要求；

圖14 拆除中隔墻步序內力圖(優化后的上斷面導坑法）

(3）考慮到工期要求，可采用優化后的上斷面導坑法進行施工，即在左上導坑與右上導坑分別增加一道豎撐，以消減拱腳處彎矩，保證施工安全。

[1]鄧寄生,許人平,吳從師,丁祖德,王憲.大跨度隧道施工方法探討[J].公路與汽運,2007,(6）:140-143.

[2]王華寧,曹志遠.巖體施工過程損傷演化預測的時變力學分析[J].應用力學學報,2002,19(4）:134-139.

[3]喻渝,趙東平,曾滿元，等.客運專線超大斷面隧道施工過程三維力學分析[J].現代隧道技術,2005,42(4）:20-24.

[4]張志強,何川.連拱隧道中隔墻設計與施工力學行為研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(8）:1632-1638.

[5]丁文其,王曉形,李志剛，等.龍山淺埋大跨度連拱隧道施工方案優化分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(22）:4042-4047.

福建省中青年教師教育科研項目（JAT160627）