軟巖地區大斷面隧道開挖方式比選分析

■劉 剛

(山西路橋集團晉南項目管理有限公司，太原 030000)

0 引言

隧道建設過程中，不可避免的要穿越軟巖地區，這對于隧道施工增加了挑戰，尤其對于大斷面隧道開挖，合理的施工方法意義重大[1-2]。目前來說，隧道開挖的方法有很多種，其中三臺階預留核心土法和雙側壁導坑法作為常用的公路隧道的施工方式，應用非常廣泛[3-5]。近年來，國內學者對不同施工方法下隧道開挖穩定作了大量研究，例如，李云剛[6]運用FLAC3D有限差分軟件,對淺埋暗挖隧道施工工法比選進行數值分析，得到了各方案的施工特點；王偉鋒等人[7]對全斷面法、單側壁導坑法和雙側壁導坑法進行模擬，分析了各工法下地表沉降和塑性區的變化特點，得出一些有意義的結論。本文主要以某隧道為例，從位移和受力方面對三臺階預留核心土法和雙側壁導坑法兩種方法進行了比較，以期為施工方案選取提供參考。

1 工程概況

某隧道為分離式隧道，設計南線NK0+138～NK1+070，長度 932m；北線 BK0+140～BK1+085，長度 945m，平均長度為938.5m。隧道南線縱坡大多為2.48%的單向上坡，隧道右洞縱坡大多為2.42%的單向上坡，橫坡均為1.5%，南線隧道平曲線半徑為610m，北線隧道平曲線半徑為603m，進出口洞門形式均為端墻式。隧道設計行車速度60km/h。如圖1所示，為隧道斷面尺寸及支護結構圖，其中隧道開挖尺寸最寬為12.86m，最高為10.24m。

圖1 隧道斷面尺寸及支護結構圖(單位：cm)

1.1 地形地貌

擬建隧道工程地面標高最大值204.53m，最小值77.3m。場地所處地貌類型為丘陵。隧道區域內的巖石風化深度不大，主要是在中風化-未風化云母片巖巖體內通過，在工作西部及東部沿溝谷分布，主要以粉質粘土、素填土為主。含水層有第四系松散巖類孔隙潛水含水層、基巖風化裂隙水含水層、構造裂隙水含水層。

1.2 地層巖性與地質構造

隧道圍巖有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖占47.04%，Ⅴ級圍巖占52.96%。

表1 隧道圍巖類別及分布

1.3 施工方法

在南線NK0+289～NK0+339段圍巖等級為Ⅴ級，擬采用施工方法包括有兩種，即三臺階預留核心土法和雙側壁導坑法，為了驗證兩種方法的優越性，下文對兩種開挖方法分別建模進行分析。

2 數值建模

2.1 模型建立及材料參數

如圖2(a)所示，為隧道數值模型圖，考慮到隧道模型開挖影響范圍，建立模型時x軸(水平方向)取100m，y軸(隧道軸線方向)取 50m，z軸(豎直方向)取 60m，且隧道中心距離模型左邊界為50m，隧道頂部埋深為25m。如圖2(b)和2(c)所示，為三臺階預留核心土法和雙側壁導坑法兩種開挖方式，具體開挖步驟分別為①～⑤和①～⑨。隧道采用錨桿、鋼筋網和工字鋼和噴射混凝土襯砌支護，鋼筋網和工字鋼支撐折合到混凝土襯砌支護上面。此外圍巖采用摩爾庫倫本構模型，襯砌采用shell結構單元，錨桿采用cable結構單元，襯砌厚度為250mm，錨桿采用全長注漿錨桿，長度為3.0m，具體布置方式見圖1。如表2和表3所示，為圍巖的力學參數和噴射混凝土和錨桿的力學參數。

圖2 隧道斷面及支護結構圖

表2 巖體的物理力學指標

表3 噴射混凝土和錨桿的力學參數

2.2 網格劃分及邊界條件

如圖2所示，網格單元數目為56426個，為了考慮分步開挖，在建模過程中進行開挖步分組。此外，隧道周圍網格較為密集，遠離隧道時網格較為疏松，以此提高精度。除上邊界外，模型其它邊界均設有法向約束。模型開始計算時，需要先進行初始平衡，之后將初始位移和初始速度清零，然后進行分步開挖并設置監測點，主要對南線NK0+292斷面進行監測分析。如圖3所示，分別對6個點進行監測，從上至下依次為拱頂、墻身、拱腳和拱底。

圖3 監測點布置圖

3 數值結果分析

3.1 監測點位移分析

隧道位移是反映隧道穩定與否最為關鍵的因素，本節主要對拱頂沉降、拱底隆起、墻身收斂和拱腳收斂值進行分析。如圖4所示，為兩種開挖方式下拱頂沉降與開挖步關系圖，由圖可知，在20步之前，二者拱頂位移均變化較小，20步之后采用雙側壁導坑法拱頂開始沉降加速，最終在100步左右趨于平衡，拱頂沉降最大值為29.8mm；而對于三臺階預留核心土法，其在40步左右沉降開始增速，也在100步左右趨于穩定，其拱頂沉降最大值為48.6mm。采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法拱頂沉降減小38.7%，即前者控制位移效果更好。

圖4 兩種開挖方式下拱頂沉降與開挖步關系圖

如圖5所示，為兩種開挖方式下拱底隆起與開挖步關系圖，由圖可知，在20步之前，二者拱底位移均變化基本為零，20步之后采用雙側壁導坑法拱頂開始沉降加速，最終也在100步左右趨于平衡，拱底隆起最大值為9.1mm；而對于三臺階預留核心土法，其同樣在20步左右隆起開始增速，且增速較前者更快，在100步左右趨于穩定，其拱底隆起最大值為14.3mm，采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法拱底隆起減小36.4%，從位移控制角度來講，采用雙側壁導坑法效果較好。

圖5 兩種開挖方式下拱底隆起與開挖步關系圖

如圖6所示，為兩種開挖方式下墻身收斂與開挖步關系圖，由圖可知，在60步之前，二者墻身收斂位移變化一致，60步之后采用雙側壁導坑法墻身收斂開始減緩，最終在100步左右趨于穩定，最大值為35.2mm；而對于三臺階預留核心土法，其在60步之后增速仍不減，直至在80步左右趨于穩定，其墻身收斂最大值為43.3mm，采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法墻身收斂減小18.7%。

圖6 兩種開挖方式下墻身收斂與開挖步關系圖

如圖7所示，為兩種開挖方式下拱腳收斂與開挖步關系圖，由圖可知，在40步之前，二者拱腳收斂位移變化微小，40步之后采用雙側壁導坑法拱腳收斂開始增加，并在60步左右開始減速，最終在120步左右趨于穩定，最大值為45.6mm；而對于三臺階預留核心土法，其在40步之后拱腳收斂開始增加，直至在100步左右趨于穩定，其拱腳收斂最大值為41.2mm，采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法拱腳收斂大9.7%。

圖7 兩種開挖方式下拱腳收斂與開挖步關系圖

如圖8所示，為兩種開挖方式下沿水平方向地表沉降，由圖可知，在研究截面上，開挖影響范圍主要集中在-40m～+40m，且呈現高斯曲線形狀，滿足Peck公式。采用雙側壁導坑法能有效減小地表位移，尤其在-20m～+20m范圍內。采用雙側壁導坑法時地表最大沉降為7.8mm，而采用三臺階預留核心土法時地表最大沉降為17.2mm，即采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法地表最大沉降減小54.7%。

綜上所述，采用雙側壁導坑法，對于控制地表沉降、拱頂沉降和拱頂隆起發揮著明顯的作用，尤其對于大斷面隧道而言，控制地表沉降對于工程意義重大。而對于墻身收斂和拱腳收斂，兩者差別不大，均在20%之內。對于雙側壁導坑法，其相比于三臺階預留核心土法更占優勢的原因是其盡可能借助于輔助施工方法或措施來化大為小、先拱后墻或先墻后拱，有效縮短了開挖面暴露時間，同時其由于是分步開挖，臨空面要小得多，因此開挖擾動較小，并且中隔壁作為臨時支撐，對于減小變形意義重大。

圖8 兩種開挖方式下沿水平方向地表沉降

3.2 支護結構受力分析

圖9 兩種開挖方式下支護結構最大主應力云圖(單位：Pa)

分析支護結構的受力狀況，能有效查明支護結構的性能發揮，如圖9所示，為兩種開挖方式下支護結構最大主應力云圖，對于二者來說，拱頂周圍均受受拉，在拱腳和拱底部位均受壓，對于三臺階預留核心土法，其最大拉應力發生在拱頂，最大值為1200kPa；對于雙側壁導坑法，其最大拉應力發生在拱肩，最大值為800kPa，且其拉應力分布范圍較前者較寬。出現上述的原因是，對于三臺階預留核心土法，其預留核心土的開挖面積要比雙側壁導坑法預留核心土的開挖面積大，此外，雙側壁導坑法是采用分部開挖，開挖后又及時施作了中隔壁支護，中隔壁承擔了部分初期壓應力，所以最大拉應力相對來說比較小，且分布較不集中，也說明采用雙側壁導坑法會使結構受力比較合理。

4 結論

本文以某隧道為例，從位移和受力方面對三臺階預留核心土法和雙側壁導坑法兩種方法進行了比較，得到以下結論：

(1)采用雙側壁導坑法要比三臺階預留核心土法拱頂沉降、拱底隆起、地表沉降分別減小了38.7%、36.4%和54.7%，即前者控制位移效果更好。

(2)對于雙側壁導坑法，其相比于三臺階預留核心土法更占優勢的原因是其盡可能借助于輔助施工方法或措施來化大為小、先拱后墻或先墻后拱，有效縮短了開挖面暴露時間，同時其由于是分步開挖，臨空面要小得多，因此開挖擾動較小，并且中隔壁作為臨時支撐，對于減小變形意義重大。

(3)雙側壁導坑法是采用分部開挖，且中隔壁承擔了部分初期壓應力，最大拉應力相對來說比較小，且分布較不集中，也說明采用雙側壁導坑法會使結構受力比較合理。