淺埋軟巖公路隧道開挖方法優化

張 楚

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著經濟的發展，我國交通公路的社會需求量越來越高，修建公路隧道成為跨山越嶺時的重要方案。山嶺隧道受到地形地質條件的影響，地質應力分布多變，支護結構的受力變形以及圍巖穩定情況也變得極為復雜[1]。因此，對施工方法進行優化，對于隧道的安全性尤為重要[2]。

1 工程背景

重慶市某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，單洞設計時速80km/h，隧址區屬構造侵蝕中低山貌區，隧道縱向基本垂直構造線，產狀較穩定，未見次級褶曲和斷層，構造簡單，山體內地下水含量低。隧道淺埋段圍巖主要為頁巖，巖質多軟弱，以軟巖為主，裂隙較發育，強風化帶較厚，平均埋深約25m。

隧道凈寬12.62m，凈高10.32m；根據同類工程的經驗結合經濟因素考慮，開挖方法擬采用三臺階法和CD法中的一種。通過對兩種方法進行數值仿真分析，對比兩種方法開挖引起的支護結構位移大小和圍巖穩定性，選取更優的施工方法。

2 FLAC3D數值模擬分析

2.1 模型建立

本次模擬的隧道出口Ⅴ級圍巖淺埋段平均埋深約為25m，模型建立時，拱頂以上建立25m地層；隧道的左右圍巖及隧道底部以下的地層建立25m。隧道的支護結構僅以二次襯砌的參數進行建模計算，并將鋼筋混凝土結構簡化為均質等厚的環形結構，厚度為0.5m。隧道模擬開挖長度為10.5m，計算長度從最終開挖掌子面向后延伸14.5m，模型總長度為25m。

對于圍巖的數值模擬，通常采用摩爾-庫倫模型[3]。隧道支護結構材料具有較大的彈性模量，通常采用彈性模型進行模擬[4]。在橫斷面網格劃分為放射狀網格，橫斷面網格劃分為約700個，隧道縱向25m均分為25個網格，計算單元總數約為17 500個(圖1)。

(a)三臺階法

2.2 模擬方法

本次施工模擬時支護結構僅以二次襯砌的參數進行建模計算。開挖引起的圍巖變形主要考慮拱頂及仰拱支護結構的位移，在模型每一開挖進尺支護結構的拱頂及仰拱中心設置位移監控點[5]。

3 計算結果分析

3.1 模擬計算結果

三臺階法和CD法模擬開挖完成時，各監控點的豎向位移分別見表1、表2。

從表1和表2可以看出，三臺階法和CD法開挖完成后最大的拱頂沉降均發生在監測點1，分別為15.60mm、10.40mm；最大的仰拱隆起均發生在監測點8，分別為18.30mm、12.90mm。

表1 三臺階法開挖監控點豎向位移 mm

表2 CD法開挖監控點豎向位移 mm

三臺階法和CD法開挖完成后過監控點1和監控點8橫斷面的位移云圖分別見圖2、圖3。

圖2 三臺階法開挖后過監控點1和監控點8橫斷面位移云圖

3.2 結果分析及施工方案的確定

(1)無論是三臺階法還是CD法開挖，同一個橫斷面上，開挖引起的仰拱隆起值都大于拱頂沉降值，這符合軟巖淺埋隧道的支護結構變形規律。

(2)CD法施工時，先開挖區段支護結構的位移和新挖區段的位移差別較小；而三臺階法施工時先開挖區段支護結構的位移比新挖區段位移有較大差值；這表明CD法開挖后圍巖比較穩定，支護結構的后期變形發展小。

圖3 CD法開挖后過監控點1和監控點8橫斷面位移云圖

(3)通過位移云圖的比較可以發現，CD法施工后圍巖的豎向位移從洞周向圍巖深處的衰減較快，而三臺階法的圍巖位移衰減較慢；這表明CD法開挖后圍巖的穩定性更好。

(4)不管是拱頂還是仰拱，在同一個監控點，CD法引起的支護結構豎向位移小于三臺階法，這表明CD法開挖對圍巖擾動更小，支護結構的受力更小，開挖更安全。

(5)綜上所述，CD法開挖在支護結構安全性和圍巖穩定性方面均優于三臺階法，選擇CD法作為此高速公路淺埋軟巖隧道的開挖方法。

4 結論

通過進行數值模擬，可以發現對于淺埋的軟巖隧道，相較于三臺階法，CD法開挖對圍巖的擾動更小，施工完成后支護結構的受力更較安全，變形更小且支護變形的后期發展較小；CD法施工完成后，圍巖的穩定性更好，發生較大位移的圍巖范圍更小。

綜合開挖的安全性和圍巖后期的穩定可以得出結論：CD法比三臺階法更適于淺埋軟巖公路隧道的施工。