大斷面淺埋隧道開挖方案優(yōu)選研究

王朝南

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300459）

在隧道施工過程中，根據(jù)環(huán)境的不同選擇合適的施工開挖方法是十分重要的[1]。隧道開挖作為整個施工工程中的重要工序，開挖方法不僅決定著隧道的施工難度，且嚴重影響施工安全性和質量[2]。尤其是大斷面淺埋隧道工程，開挖工法的重要性尤為突出。

目前，關于大斷面淺埋隧道施工方法選擇的研究也取得了一定成功。例如，李晶[3]以烏魯木齊地鐵1號線某區(qū)間大斷面隧道為例，采用數(shù)值分析方法模擬了不同施工工法對隧道圍巖及地表沉降的影響。許崇幫等[4]采用有限元方法分析了不同施工方法對三車道公路淺埋段隧道圍巖應力和位移控制效果。李躍強[5]依托某淺埋偏壓大斷面公路隧道工程，采用有限差分方法分析了不同開挖工法對隧道洞口邊坡穩(wěn)定性的影響。宋戰(zhàn)平等[6]針對小墁坪隧道洞口淺埋偏壓段問題，采用數(shù)值分析方法模擬分析了臺階開挖施工對速調結構變形及受力的影響。毛紅飛[7]針對二級公路隧道洞口超大斷面支護形式展開了研究，并提出了一種新的開挖支護方案。李云剛[8]結合某軟巖斷面淺埋隧道工程，采用數(shù)值方法模擬了不同施工方法對圍巖變形響應的影響。由于隧道工程所處環(huán)境的復雜性和區(qū)別，大斷面淺埋隧道開挖方法適用性可能不同。在隧道開挖過程當中，不同開挖方法對圍巖的擾動影響非常之大，合適開挖方法是隧道開挖穩(wěn)定基礎。結合某大斷面淺埋隧道段工程，對該隧道不同開挖施工方法進行模擬分析，確定合適的開挖方法。

1 工程概況

重慶渝黔高速公路擴能工程YQTJ4標段某隧道，左幅長895 m，右幅全長847 m，屬于公路工程中距離隧道。隧道設計速度為100 km/h，設計等級是雙向六車道高速公路。該隧道進口洞口段處于淺埋段，隧道襯砌內輪廓凈寬16.01 m，凈高7.95 m。該隧道地層巖性為上覆第四系全新統(tǒng)洪積粘黏土層；下伏侏羅系中統(tǒng)下統(tǒng)自流井組砂巖、三迭系上統(tǒng)須家河組砂巖、頁巖，隧道圍巖多處于V級圍巖中。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

以某隧道50 m長的淺埋段V級破碎帶圍巖隧道為研究對象，模型長度為50 m，隧道的建筑為馬蹄形隧道，限界凈寬為17.0 m、凈高為11.6 m，隧道埋深30.0 m。因此，取隧道模型寬為5倍隧道凈寬，約為90 m，模型高度根據(jù)隧道凈高及覆土厚度取60 m。隧道初支的是25 cm厚噴射C20混凝土，二次襯砌的是45 cm厚C25模筑混凝土。

（1）采用有限元程序MIDAS進行三維建模分析，按照開挖工法不同，分為全斷面法、三臺階法、CD法和雙側壁導坑法，可驗證各開挖方法在此工程的適用性，為科學選擇開挖方法提供理論依據(jù)，不同開挖方法斷面如圖1所示。

圖1 不同開挖方法示意圖

（2）隧道的土體從上往下分別為：粉質黏土、強風化砂巖、中風化頁巖。不同巖層的厚度分別為5.2 m、38.8 m、16.0 m。根據(jù)各模型應力-應變關系，巖層、土層均采取摩爾-庫倫模型為本構模型，襯砌結構由于其強度較高，被破壞可能性較小，采用線彈性本構模型。小導管和錨桿由于是植入土體之中，采取植入式桁架模型。全斷面法、三臺階法、CD法和雙側壁導坑發(fā)的各開挖方法三維計算模型見圖2。

圖2 各開挖方法三維計算模型

2.2 模擬工況及參數(shù)選取

根據(jù)工程經(jīng)驗，在Ⅴ級圍巖中循環(huán)進尺一般為1～2 m。本次12個模擬工況的開挖方法及循環(huán)進尺，具體如表1所示。

表1 不同模擬工況的開挖方法及循環(huán)進尺

根據(jù)隧道地質勘查資料及相關巖土體試驗，得到隧道圍巖及各模型材料參數(shù)設置，如表2所示。

表2 模型不同材料的參數(shù)明細

3 結果與分析

3.1 圍巖豎向位移分析

隧道開挖引發(fā)的圍巖位移是評價圍巖穩(wěn)定性的最重要的指標，選取循環(huán)進尺1 m為研究對象對比不同開挖方法的穩(wěn)定性。圖3為各開挖方法形成的圍巖豎向位移云圖。

從圖3中可知，各開挖方法形成的圍巖豎向位移各不相同，其中全斷面法開挖圍巖豎向沉降主要發(fā)生在拱頂，最大值為3.82 cm，超過了隧道沉降限定值，隆起主要發(fā)生在拱底，最大值為1.03 cm；三臺階法豎向沉降最大值為2.82 cm，相比于全斷面開挖，沉降值較小，但拱頂沉降范圍有所增大，拱底隆起值較小，可見臺階法壓底效果明顯；CD法開挖豎向沉降主要發(fā)生在隧道兩側，拱頂由于中隔墻的支撐作用沉降得到有效控制，沉降最大值為2.44 cm，拱底隆起也較小，中隔墻作用顯著；相比于全斷面法開挖雙側壁導坑法的沉降值得到了有效控制，僅為1.76 cm，但對拱腳隆起控制影響不大。

3.2 圍巖水平位移分析

隧道凈空監(jiān)測作為隧道監(jiān)測重要內容，一直作為隧道穩(wěn)定與否的判斷依據(jù)。因此，對各類開挖方法形成的圍巖水平位移分析，進而得出隧道凈空的變化量具有極強的現(xiàn)實意義。圖4是各開挖方法形成的圍巖水平位移云圖。由圖4可知，CD法開挖、三臺階開挖、雙側壁開挖形成的圍巖水平位移趨勢一致，均為斷面兩側較大，并從拱腰蔓延至地面。其中全斷面開挖凈空變化值為5.86 cm；三臺階法開挖凈空變化值為5.58 cm；CD法開挖形成隧道凈空變化值為1.52 cm；雙側壁導坑法的為0.65 cm。

3.3 結構支護內力分析

圖3 不同開挖工法的圍巖豎向位移云圖

圖4 不同開挖工法的圍巖豎向位移云圖

對于隧道支護結構而言，力學上最關心其支護內力的數(shù)值，隧道襯砌破壞則主要由剪力及彎矩導致，隧道襯砌承擔軸力效果較好，軸力引起隧道破壞可能性不大。四類開挖方法中剪力最大值均出現(xiàn)在拱腰的位置，故對拱腰剪斷破壞要格外注意，最小雙側壁導坑法剪力值是12 125 kN/m，最大全斷面法剪力值是18 989 kN/m。支護結構彎矩最大值一般常出現(xiàn)在拱頂及拱底位置，亦會導致隧道拱頂、拱底彎曲，引發(fā)沉降，四類開挖方法中雙側壁導坑法支護結構彎矩最小，全斷面法開挖支護結構彎矩最大（圖5～圖8）。

圖5 全斷面開挖的支護內力圖

圖6 三臺階法開挖的支護內力圖

圖7 CD法開挖的支護內力圖

圖8 雙側壁導坑法開挖的支護內力圖

3.4 圍巖塑性區(qū)分析

對不同開挖方法引起圍巖塑性形變，從而研究隧道的塌落拱的形成情況，對判斷隧道穩(wěn)定性，圍巖是否有坍塌的隱患具有重要價值。圖9為各開挖方法的結構支護內力圖。

從圖9中可知，各開挖方法中全斷面開挖塑性區(qū)范圍比其他范圍均大，臺階法、CD法、雙側壁導坑法引起的塑性區(qū)范圍比全斷面法引起的圍巖塑性變形要小，全斷面法開挖形成的塑性區(qū)連貫，可能導致圍巖整體強度下降，有整體坍塌的風險。

圖9 不同開挖工法的圍巖塑性區(qū)圖

4 結 論

本文對某大斷面淺埋隧道開挖工法從不同的角度進行了分析，分析結果表明，全斷面法對隧道拱頂沉降、地表沉降和拱底隆起值影響較大，且塑性區(qū)連貫具有坍塌風險，不考慮采用全斷面法開挖，這也符合規(guī)范中的V級不能采用全斷面法開挖的要求。三臺階法、CD法、雙側壁導坑法各類穩(wěn)定性判斷依據(jù)均滿足要求，但考慮到CD法、雙側壁導坑法工法步驟多、開挖工序復雜，不利于施工效率。在保證安全施工的情況下，最終該隧道工程可確定采用三臺階法開挖。