施工工法對下穿公路隧道的影響探究

但路昭，王東英，陳 偉，郭瓊華

(1.云南大永高速公路建設指揮部， 云南 大理 671000;2.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071；3.中國科學院大學， 北京 100000)

對于下穿既有公路或其他建筑物的隧道工程，施工工法的選擇對保障工程的順利實施至關重要[1-3]。當前絕大多數研究著重于通過數值手段、針對特定工程、分析特定施工工法下隧道圍巖變形以及塑性區分布情況[4-5]。而下穿公路隧道工程的突出特點為，隧道修建過程中產生的地表沉降可能會造成既有公路的不均勻沉降，從而干擾既有公路的正常運營[6-10]。然而在這方面，相關的研究還不充分。

針對以上問題，本文以在建的某下穿公路隧道工程為依托，基于ABAQUS有限元分析軟件，分別就上下臺階法、CD法和CRD法，對下穿公路隧道的開挖修建過程進行有效模擬，通過分析隧道洞頂、底部及兩側腰等關鍵位置處的位移以及洞周圍巖的應力、塑性區分布情況，對不同工法下圍巖的穩定情況進行分析，并通過對不同工法下地表沉降數值及沉降規律的分析，總結出不同施工工法下隧道修建對既有公路的影響，最后依據數值模擬的結果給出了合理的工程施工建議。本文研究結論對同類工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

在建的某隧道位于大理至賓川段，靠近大理市區，其空間地理位置如圖1所示。該隧道為一座分離式隧道，累計總長1 434.56 m。隧道凈寬17.34 m，左右幅隧道凈距在28.21 m～29.00 m之間。該隧道為雙向六車道設計，路基寬度33.5 m，設計速度100 km/h，屬于超大斷面隧道。

圖1空間地理位置示意

尚需說明的是，該隧道與大西公路近垂直相交(如圖2所示)，右幅隧道交叉點埋深14 m，左幅隧道交叉點埋深10 m，屬于近距離交叉工程。

圖2隧道與公路位置關系示意(單位：m)

根據工程地質勘察資料，隧道選址范圍內未見明顯構造形跡，且無大型河流過境。隧址區地層以二疊系玄武巖系為主，上覆人工填土、黏土，覆蓋層總厚度僅為10 m～14 m。地質鉆孔揭示的數據詳見表1。

表1 巖層信息統計

2 施工工法比選

2.1 計算方案

2.1.1 計算模型

隧道與公路交叉段屬于控制性工程，因此選取交叉段作為研究對象。由于計算模型范圍的選取，既要保證計算結果滿足所需的精度，又要考慮計算機的運算能力。因而，計算模型的選取原則應在保證計算精度的前提下盡可能減小計算范圍。參考類似工程的研究成果[11-12]，將計算范圍確定為：水平向寬197 m，豎向高為60 m～65 m，兩洞凈距28 m。依據相關工程經驗，該模型取值范圍基本能消除邊界效應影響，模型尺寸見圖3。

圖3平面數值計算模型示意圖(單位：m)

對應的二維數值模型如圖4所示，自上至下依次為人工填土、黏土、全風化玄武巖和強風化玄武巖。巖土體及初襯、二襯均采用三角形或四邊形平面應變單元，錨桿采用Truss單元，共計14 611個單元，6 605個節點。計算時邊界條件為：兩側采用法向約束，底邊界采用固定約束，上表面自由。分析時假定巖土體、初襯、二襯均符合彈塑性本構，并服從Mohr-Coulomb屈服準則。巖土體力學參數依據現場試驗獲取，支護參數則依據工程經驗賦值，具體材料力學參數統計見表2。

圖4有限元模型圖

表2 工程區巖土材料力學參數統計

2.1.2 施工工法簡介

上下臺階法[13]、CD法[14]以及CRD法[15]是隧道施工中經常采用的三種方法。其中上下臺階法是將整個隧洞斷面大致分為上下兩部分(或上中下三部分，其中第三部分相對較小)，并自上而下開挖支護的方法。CD法是將整個斷面分成左右兩部分，開挖完左側斷面，及時施做初襯及中間豎向鋼支撐，而后再開挖右側斷面的施工方法。該方法多適用于地層較差或對地面沉降有要求的隧道工程。而CRD法又稱交叉中隔壁法，是在CD法的基礎上將斷面進一步細分為多個部分開挖的施工方法，研究結果表明，CRD法控制地面沉降的能力比CD法還好。數值分析時，采用三種施工方法對隧道進行開挖的模擬過程詳述如下：

(1) 上下臺階法(見圖5(a))：首先進行地應力平衡，而后進行左幅隧道的開挖與支護，最后進行右側隧道的開挖與支護。隧洞開挖、支護過程為：開挖上臺階①→施作上半斷面初期支護II→開挖中臺階③→施作下半斷面初期支護IV→開挖下臺階⑤→施作下半斷面初期支護VI→施作二次襯砌⑦。右幅隧道開挖和支護過程與左幅隧道相同，在此不再贅述。

(2) CD法(見圖5(b))：同上下臺階法雷同，首先進行地應力平衡，而后分別進行左右側隧道的開挖與支護。開挖和支護的具體過程可總結為：開挖左側①→施作左側斷面初期支護和臨時支撐II→開挖右側③→施作右側斷面初期支護IV→去除臨時支撐并施作二次襯砌⑤。右幅隧道施工順序與左幅隧道類似。

(3) CRD法(見圖5(c))：同前兩種方法，首先進行地應力平衡，而后分別進行左右側隧道的開挖與支護。隧道開挖和支護過程可概括為：開挖左側①→施作左側斷面初期支護和臨時支撐II→開挖右側上部③→施作右側上部斷面初期支護和橫支撐IV→開挖右側下部⑤→施作右側下部斷面初期支護VI→去除支撐并施作二次襯砌⑤。

圖5三種工法施工工序圖

需要指出的是，計算過程中采用空間應力翻轉法對隧道在開挖中應力的釋放過程進行了有效模擬。且認為巖體開挖過程中圍巖的應力釋放率為50%，初襯施作過程中圍巖應力釋放率為50%。

2.2 結果分析

2.2.1 關鍵點位移對比分析

為評價不同工法施工對圍巖位移的影響，選取隧洞頂點、右側腰和底部中點作為監測點(分別見圖6中1、2、3)，結合整個研究區域內巖體的位移分布情況，對隧道開挖過程中圍巖的變位規律進行綜合分析。

圖6 數值分析關鍵點示意圖

圖7左幅隧道周邊監測點的位移變化

不同施工工法下，左、右幅隧道關鍵點位移隨開挖過程變化曲線分別見圖7、圖8， 隧道周邊圍巖位移分布規律見圖9。結合關鍵點位移變化曲線及圍巖位移分布圖，可以看出：

(1) 不同施工工法下圍巖位移發展存在共性，洞內圍巖最大沉降均在洞頂1位置處，最大隆起值均位于拱底3處，洞腰2處產生較小沉降，且右幅隧道施工對左幅隧洞位移發展基本沒影響。

(2) 不同施工工法下，隧道洞頂沉降、洞底隆起的數值有所差異，上下臺階法施工產生的洞頂沉降值最大，為7 cm；CD法次之，為5.9 cm；CRD法最小，為5.25 cm。同樣地，對于底部隆起值，CRD法仍為最小的，為6 cm，而CD法和上下臺階法施工造成的洞底隆起值相差不大，均在8 cm左右。因而，從位移沉降以及底部隆起控制這兩點來看，CRD法相較于其他兩種工法更有優勢。

圖8右幅隧道周邊監測點的位移變化

2.2.2 圍巖應力分布對比分析

硐室開挖會打破巖土體天然的平衡狀態，導致圍巖應力不同程度的釋放，而不同的開挖方法也會影響圍巖體應力的釋放規律和程度，因而有必要對比分析采用上述三種施工工法對硐室進行開挖后，圍巖的應力分布規律的差異。現將采用不同工法對應的圍巖的最大、最小主應力分布規律整理如圖10、圖11所示。

圖9 不同施工工法的隧道周邊巖體位移分布圖(單位：m)

圖10 圍巖最大主應力分布云圖(單位：Pa)

圖11圍巖最小主應力分布云圖(單位：Pa)

從圖10、圖11中可以看出：采用不同施工工法開挖硐室時，洞周圍巖的應力分布數值及分布規律均有明顯差異：上下臺階法施工時洞周拉應力集中于洞頂兩側和洞底位置，壓應力集中在兩拱腳一定位置處，分布范圍較廣，數值較小。而CD法和CRD法施工時，壓應力集中于兩拱腳點處，數值較大，應力較集中。應力數值及分布說明，上下臺階法施工產生的塑性流動較大，導致圍巖應力部分釋放。

需要指出的是，由于隧道埋設較淺，隧道圍巖承受的壓應力都比較小。但考慮到隧道圍巖強度參數較低，應重視應力集中部位的支護與加固，避免因局部損傷引起硐室整體垮塌。

2.2.3 圍巖塑性區對比分析

塑性區的發展及分布情況是衡量圍巖穩定性的重要依據之一。當圍巖因應力調整處于較大、較復雜的應力狀態時，很可能達到屈服極限進入塑性狀態，當較大范圍的巖土體都屈服后很可能因較大的塑性變形引起硐室垮塌。施工工法不同，圍巖塑性區發展及分布規律一般也會有較大差異，因此有必要對不同施工工法下圍巖塑性狀態進行分析，從圍巖穩定性角度遴選較為合適的施工工法。

不同工法下圍巖塑性區分布情況整理見圖12。從圖12中可以看出：不同施工工法下，硐室圍巖塑性區分布存在明顯差異：采用上下臺階法開挖時，除洞頂部分區域，洞周圍巖全部進入塑性，塑性區由洞壁向外光滑過渡。而CD法相應的圍巖，除洞左側部分巖體尚未進入塑性區，其余全部進入塑性。支撐部分和巖體接觸部位出現了等效塑形應變集中區，最大等效塑性應變達到0.262。CRD法塑性區分布同CD法類似，在中隔壁、橫隔板和圍巖接觸部位也出現了等效塑形應變集中區，最大值為0.176。從左右幅隧洞塑性區分布還可以看出，不同施工工法下，右幅隧洞施工對左幅隧洞影響也存在差異：上下臺階法對應的左右幅塑性區分布基本一致；CD法右側塑性區范圍略小于左側塑性區范圍；而CRD法左右幅隧洞塑性區分布范圍差異較明顯。這一規律進一步說明施工工法不同，圍巖塑性區發展規律及分布存在差異，圍巖穩定性也不相同。就塑性區分布范圍而言，CRD法施工圍巖相對較穩定。

圖12圍巖塑性區分布情況

2.2.4 路面沉降對比分析

為了反映隧道開挖過程對路面沉降的影響，對不同施工工法下路面沉降情況進行統計，相應結果見圖13。從路面沉降圖13可以看出隧道的開挖僅對其正上方路面變形有明顯影響，對遠離洞徑范圍內的地表變形影響不大，硐室開挖后，地表沉降成W型分布。上下臺階法施工產生的路面沉降值最大，左右幅隧道開挖完成后，路面最大沉降5.8 cm；采用CD法開挖時，路面最大沉降為2.7 cm，而CRD法對應的最大路面沉降為2.65 cm，與CD法相近。從硐室開挖對既有公路的影響方面考慮，CRD法產生的路面沉降最小，相對較優。

圖13不同工法下路面沉降統計

3 結 論

本文采用有限元方法分析了不同工法對隧道圍巖穩定性以及既有公路的影響問題，得到以下結論。

(1) 硐室開挖引起的圍巖變形以頂部沉降和底部回彈變形為主。采用上下臺階法施工時，洞頂最大沉降為7 cm，洞底隆起值為8 cm；相較于上下臺階法，CD法、CRD法對應的最大沉降分別減小17%和29%，因此CRD法對圍巖的變形控制效果較好。

(2) 不同施工工法下，硐室圍巖的塑性區分布存在些許差異。就塑性區分布范圍而言，CRD法施工圍巖相對較穩定。

(3) 硐室開挖使上方既有公路產生不均勻沉降，沉降最大值位于交叉位置。采用CD法和CRD法施工時，路面沉降相較于上下臺階法分別減小53%和54%。從硐室開挖對既有公路的影響方面考慮，CRD法產生的路面沉降最小，相對較優。

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