隧道分部開挖工法的施工數值模擬

文/連云港市交通工程建設處 潘偉華

連云港港口集團有限公司 馮日利

在隧道建設過程中，CD法、CRD法及雙側壁導坑法等分部開挖工法是穿越軟弱破碎圍巖段的主要工法。在隧道分部開挖工法的實際工程應用中，對如何分部或分塊的施工優先級別并沒有特別的規定，目前主要依據工程經驗由施工單位自行決定，僅有極少數關鍵工程或重要地段得到有效研究，選取較為理想的開挖順序施工。

隧道施工動態數值模擬

在數值計算中，隧道斷面尺寸為寬15m，高10m，由4種不同半徑的7個圓弧組成。CD和CRD法均分為四個塊體，區別在于CD法沒有臨時橫撐，故只列出CRD法的尺寸及塊體劃分情況(如圖1)。

圖1 CRD及雙側壁導坑法隧道尺寸及塊體劃分

隧道斷面由中線和中隔墻分為不同塊體，分別按①②③④⑤⑥命名（如圖1）。利用建模功能強大的ANSYS數值分析軟件建立三維計算模型，然后導入FLAC3D軟件中進行計算，CRD法構建的計算模型。

CD及雙側壁導坑法的模型尺寸與CRD法一致，但隧道開挖部分劃分的塊體數量存在差異，相對應的初次襯砌及錨桿作用區塊體大小也不相同。為減小邊界效應的影響，左右及下邊界取7倍至10倍于隧道開挖直徑，遠大于通常采用的3倍至5倍。模型整體尺寸為150m×100m×50m，其中隧道上覆巖層25m，為V級圍巖。

模型材料參數及施工順序

計算模型中，隧道圍巖假定為均質各項同性材料，選取常用的彈塑性本構模型、Mohr-Coulomb屈服準則進行非線性靜力分析，其相關計算參數參照公路隧道設計細則V級圍巖的物理力學參數選取，對錨桿加固的巖土體圍巖，按經驗采取提高其c、φ值來加以仿真模擬，其余材料均使用線彈性本構關系。三種工法的圍巖及支護材料物理力學參數取值如表1所示。

考慮到實際施工情況及對稱因素，隧道CD、CRD及雙側壁導坑法分別選取四種施工工序（如表2、表3）。

表1 隧道圍巖及支護材料物理力學參數

表2 CD/CRD法開挖順序種類劃分

表3 雙側壁導坑法開挖順序種類劃分

利用建立的三維數值計算模型，對CD及CRD法按表2中所列出的4中施工工序進行動態施工模擬，每次開挖進尺2.5m，等應力重分布結束后通過改變材料參數激活臨時橫撐、中隔壁、初期襯砌及錨桿作用區域等支護措施。整個斷面共分為四步進行開挖，10m錯距，先行導坑最終推進40m，開挖結束后拆除臨時支護。雙側壁導坑法分為6個開挖塊體，為保證先行導坑最終開挖也為40m，雙側壁導坑法錯距設為5m。在模型開挖10m處設置監控關鍵點，分析其應力、位移隨動態施工步的變化規律及不同開挖工序隧道周圍塑性區的演化特征。圖2為CRD法模擬第一種開挖步序，即①、③、②、④。

圖2 CD/ CRD法隧道開挖塊體圖（第一種開挖順序）

圖3 CRD法不同開挖順序塑性破壞區分布圖

單一工法模擬結果分析

CRD工法

不同開挖順序塑性區

選取不同開挖順序開挖完畢，拆除中隔墻后形成的塑性區進行對比分析（如圖3）。

采用不同的開挖順序最終形成的塑性區范圍是不同的，其中第一和第二開挖順序無法直觀的區分大小，第三種開挖工序明顯大于其三種，故按塑性區大小排列順序為：第一種=第二種<第四種<第三種。僅塑性區擴展大小范圍可知，第一種開挖步序①③②④最合理，所產生的塑性區最小，而采用第四種②①④③的順序開挖隧道，所產生的塑性區最大。

隧道圍巖應力分析

CRD法采用不同的施工工序開挖，對圍巖的擾動是不同的。采用不同的開挖步序，圍巖最終所處的狀態也不相同。結合數值模擬結果，從應力云圖和關鍵監測點應力數據兩個方面深入分析，以得到不同開挖工序的圍巖應力演化規律。

應力云圖無法通過量化數據對不同開挖工序進行準確排序，故不作為判定工序優劣的指標。隧道的開挖導致隧道圍巖發生卸載回彈和應力重分布，應力變化量越大則對越不利于圍巖穩定。因此，整理出隧道各部位隨不同開挖順序顯現的應力變化量最大值（如表4）。

表4 CRD法不同開挖順序隧道各部位主應力及其差值絕對值

四種開挖方案應力表現情況在隧道不同部位不一致，從各部位的應力變化量方面整體考慮無法明確判定先行導坑①與先行導坑②哪個更適合CRD法施工。如果僅參考淺埋隧道施工災害控制的重點位置—頂板的應力變化量，可給出不同開挖工法的優劣排序為第四種開挖方法>第二種開挖方法>第一種開挖方法>第三種開挖方法，即從應力角度，第三種開挖順序最合理。

表5 CRD法不同開挖順序隧道各部位最終位移量值

隧道圍巖位移分析

與應力相比，隧道開挖過程中的位移顯現情況是防止隧道失穩更重要的指標，尤其是作為淺埋隧道頂板的下沉量，更是控制隧道開挖變形量的重點。結合數值模擬結果，從隧道位移云圖和關鍵監控點位移數據兩個方面深入分析，以得到CRD法不同開挖工序的圍巖位移的演化規律。

位移云圖也無法通過量化數據來判定開挖順序的優劣，不將其作為判定工序優劣的指標。與應力數據分析時的側重不同，對待位移數據，主要參考隧道不同部位隨開挖擾動形成的最終位移量值（如表5）。選取同部位不同施工順序的位移量絕對值最大及最小值，兩者做比較，得出其百分比。

隧道不同部位的評價結果從整體上分析，第一種開挖順序是最合理的，若考慮頂板在淺埋隧道失穩中的權重，第二種開挖工序最優。將兩者結合起來，僅就位移量，可判定隧道CRD法不同開挖方案的合理性排序為第一種、第二種、第四種、第三種。

隧道CRD法不同開挖方案合理性評價項目為塑性區、應力和位移三方面，其中應力與位移表現差別較大，如隧道底板部位，應力變化量在四種方案中最大，位移量卻最小，分析是因存在支護措施，開挖后各導洞封閉成環，形成了有效的承壓結構。另外，應力與位移在淺埋隧道施工中權重也不同，最終位移量值更為重要，鑒于此情況，重點參考塑性區及位移量的評價結果，而塑性區的表現情況與位移的結果基本一致。綜上所述，隧道CRD法不同開挖方案以第一種最為合理，第二種次之，第四種較差，第三種開挖順序是所有方案中最不合理的。

CD工法

隧道CD法不同工序優化比選方法與CRD法相同，從塑性區、應力和位移這三方面入手進行開挖順序合理性評價，發現第一種仍為最優的開挖方案，第二種次之，與CRD法不同，第四種開挖順序是所有方案中最不合理的。

雙側壁導坑法

與上述CD和CRD工法不同施工順序分析方法類似，雙側壁導坑法評價結果為第一種開挖順序、第四種開挖順序、第二種開挖順序、第三種開挖順序。即第一種施工工序在雙側壁導坑法施工中是合理的，而第三種開挖方案最不合理。

不同工法模擬結果對比

圖4 CD、CRD及雙側壁導坑法塑性破壞區分布圖

選取CD、CRD及雙側壁導坑法最優的開挖順序參與不同工法之間的對比分析，即三種工法的第一種開挖順序。應力及位移云圖因無法通過量化數據來判別工法優劣，且無明顯不同，故不作為工法對比的項目，僅從塑性區、應力、位移三方面探討工法之間的優劣，找出其差別點及異化程度。

隧道圍巖塑性區分析

選取CD、CRD及雙側壁導坑法開挖完畢、拆除中隔墻后形成的塑性區進行對比分析（如圖4）。

對比三種開挖工法最優工序所形成的塑性區域，發現隧道不同工法開挖最終形成的塑性區范圍差別很大，CD法塑性區域最大，CRD法次之，以雙側壁導坑法產生的塑性破壞區最小。

隧道圍巖應力場演化規律分析

選擇隧道同一部位而采用不同開挖工法計算得到的3組數據組成一幅應力曲線圖，進行對比分析，共繪制隧道頂板、左右邊墻及底板的應力變化曲線（如圖5）。CD、CRD及雙側壁導坑法均為巖體自重加載，因模型大小一致，從應力曲線中可看出初始應力值相同，符合實際。隧道不同工法各部位的應力波動并沒有統一的規律性，頂板位置在開挖初期應力變化較平緩，先行導坑掘進20m后，應力開始劇烈波動，而左邊墻在開挖距離超過10m后，應力即出現突增或突減的趨勢。

圖5 CD、CRD及雙側壁導坑法應力變化曲線

為對比不同開挖工法的優劣，只能采用量化數據來實現，與分析CRD法不同工序合理性類似，同樣選取CD、CRD及雙側壁導坑法不同部位主應力及應力變化量對各開挖工法定量評價。不同部位差別較大，如雙側壁導坑法頂板和底板位置，工法比較結果恰好相反，無法準確判定那一種工法最優，故僅考慮對淺埋隧道影響最大的頂板應力變化量最為隧道工法評比的項目，判定CD法在應力表現上是最合理的開挖工法，雙側壁導坑法最差。