城市地下公路隧道淺埋暗挖施工方法優化及應用研究

張家勝

摘要：文章以某城市地下公路淺埋暗挖隧道為研究對象，采用有限元方法對CRD法及中隔壁臺階法進行三維動態開挖數值模擬，對比分析兩種工法隧道圍巖與支護結構變形及受力特征，依據數值計算結果對中隔壁臺階法進行優化，結合現場應用情況及監測數據反饋信息，比較兩種工法在施工安全、質量、進度及造價方面的優劣勢。研究及工程實踐表明：兩種工法均滿足圍巖及支護結構穩定性的要求，中隔壁臺階法在施工進度及造價方面明顯優于CRD法，實際應用中取得了較好的工程效益，能夠對類似工程的建設提供借鑒與指導。

關鍵詞：城市地下公路隧道；淺埋暗挖；CRD法；中隔壁臺階法

一、工程概況

（一）工程簡介

杭州市某隧道全長14.4km，是全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第Ⅵ標段起訖里程為K12+700～K14+140，全長1440m，分為U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道設計為雙線雙向四車道，東線設計里程為K13+569.1～K12+700，西線里程為K13+587.1～K12+710。淺埋暗挖隧道段下穿紫金港路、天目山路等城市主要交通道路，車流量大，地下管線眾多，且瀕臨國家5A級景區。

（二）工程地質水文條件

淺埋暗挖段隧道穿越v級圍巖。本文以東線K13+437～K13+497區段為主要研究對象，隧道埋深約為9～10.9m，隧道穿越地層為粉質粘土混碎石。東線K13+467斷面地質剖面如圖1所示。

（三）施工方法

前期采用CRD工法施工時存在施工進度慢、沉降控制不太理想的情況，因此，從東線K13+467及西線K13+482起計劃采用中隔壁臺階法。CRD法與中隔壁臺階法的施工步序見圖2，支護結構設計參數見表1。

二、數值分析

由于中隔壁臺階法在實際工程中運用較少，為了解工法的施工效果及確保工法的可靠性，在采用中隔壁臺階法施工前，以東線隧道K13+467～K13+437區間地質條件為原型，分別對兩種工法進行了三維動態開挖支護數值模擬，對比分析兩種工法圍巖及支護結構受力、變形特征，為施工方法的轉換提供依據，同時基于數值分析結果對中隔壁臺階法進行局部的優化調整以確保實際施工的安全性。

（一）數值模型建立

模型橫向為90m，豎向上部取至地表面，下部取至地勘鉆孔底部，豎向總高度為50m，隧道縱向深度為45m，數值模型如圖3所示。

（二）計算參數確定

隧道支護結構和圍巖均采用實體單元來進行模擬，單元類型為三維8節點減縮積分實體單元，錨桿采用桿單元，利用em-bedded命令嵌入圍巖中。初期支護、臨時支護采用混凝土材料，通過剛度等效原則，確定初期支護及臨時支撐參數。圍巖采用摩爾-庫倫本構模型。超前小導管注漿區域模擬過程中采用改變該區域材料屬性來實現超前注漿。圍巖物理力學參數參考工程地質勘察資料選取。圍巖及支護結構物理力學參數見表2。

（三）數值模擬結果分析

重點對比分析兩種工法施工引起的拱頂、地表沉降及初期支護應力。兩種工法的數值計算結果對比如表3所示。由數值計算結果可知，在變形控制方面，CRD工法優于中隔壁臺階法，由于中隔壁臺階法取消了下臺階臨時中隔壁，導致仰拱隆起值較大。支護結構受力狀態方面，中隔壁臺階法在上臺階拱腳、下臺階拱腳位置應力值大于CRD法，拱頂、臨時支護、仰拱位置應力值小于CRD法，產生此現象主要是因為中隔壁臺階法沒有下臺階臨時中隔壁，導致初期支護與臨時支護承擔荷載分配的比重重新調整，初期支護承受荷載增大而臨時支護承擔荷載減小。

三、中隔壁臺階法優化

基于上述數值計算結果的分析，對中隔壁臺階法進行了以下幾個方面的優化。

（1）數值計算結果顯示，臨時中隔壁與臨時仰拱連接處存在應力集中現象，因此將臨時支護由直變曲，以減輕應力集中影響；

（2）下臺階土體開挖后臨時支護在一段時間內將處于懸空狀態，因此在臨時支護懸空段間隔3m設置φ159鋼管柱作為臨時支撐，優化后中隔壁臺階法示意如圖4所示；

（3）數值計算結果顯示，中隔壁臺階法初期支護承受荷載增加。為了提高初期支護承載能力，在原有拱架縱向連接筋的基礎上在上下臺階拱腳處對應增加2根斜向45°連接筋，提高初期支護的縱向剛度，具體優化設計如圖5所示；

（4）中隔壁臺階法拱腰及拱腳位置處承載能力強弱對支護結構穩定極為關鍵，輕此優化原設計φ42×4、L=4.5m鎖腳錨管，增設鎖腳、鎖腰錨管，每榀增加16根，同時優化鎖腳、鎖腰錨管與拱架有效連接措施，增加φ22、L=60cm的U型筋并進行焊接加固，具體優化設計如圖6所示。