海滄疏港通道IV、V級圍巖特大斷面支護方案的變形特征有限元分析

甘港璐，張文龍，吳其泰，趙羚子

（福建巖土工程勘察研究院有限公司上海福巖工程勘察分公司，上海 200000）

目前特大斷面隧道工程在國內外建成并投入使用的例子并不多，該類工程結構受力復雜，設計、施工的綜合難度大。隧道分步開挖工序多且相互影響，圍巖應力變化情況復雜[1]。通過數值分析研究超大隧道、超大斷面隧道及復雜環境與特殊地質條件下的隧道修建技術日益成為隧道設計與施工技術的主要研究方向。吳張中等[2]結合深圳橫龍山隧道工程，通過數值計算分析了單次擴挖寬度力學特征；霍衛華[3]采用ANSYS模擬了大梅沙隧道雙側壁導坑法施工，研究了應力集中和卸荷效應引起拱頂和地表的大幅度沉降；葉均華等[4]分析了大跨度地下工程錨噴支護的塑性區分布。但是對IV、V級圍巖等級下的特大斷面隧道雙側壁導坑開挖支護、圍巖變形的研究仍處于經驗累積階段，需要不斷補充和完善。文章結合海滄疏港通道特大斷面隧道的開挖支護工程，通過數值分析研究特大斷面IV、V級圍巖下支護的內力、變形情況，確定較為合理的支護方案，為相近工程方案設計提供參考與技術積累。

1 工程概況

擬建的海滄疏港通道工程特大斷面隧道內空最大凈跨達28.00m，最大開挖跨度達30.52m，為國內外已建或在建隧道斷面最大跨度隧道。國內主要大跨度隧道如表1所示[5-6]。

表1 國內主要大跨度隧道

根據勘察數據與地質分析，隧道大跨度段穿過山體較差的節理裂隙發育帶處，經統計，支護開挖過程中遇到的周邊圍巖級別及圍巖破碎情況如表2所示。初步設計通過Midas GTS NX有限元軟件對隧道與巖體建模，研究兩種建議的支護方案：單初支雙二襯（300mm的初期襯砌支護與兩道厚度500mm的二次襯砌）、雙初支單二襯（300mm、200mm的初期襯砌支護與厚度800mm的二次襯砌）。根據在復雜圍巖條件下的支護體系的變形情況與安全性，確定在不同圍巖等級下的最優支護方案。

表2 各組圍巖參數表

2 數值建模

大斷面施工段采用雙側壁導坑開挖，海滄疏港隧道最大斷面設計施工步序如圖1所示。施工的步序：進行超前支護，開挖左①土體，施作初期支護和臨時支撐；開挖左②土體，施作初期支護和臨時支撐；待兩側導坑貫通后，開挖上部核心土⑤，施作初期支護和內撐；開挖及支護⑥和⑦土體；隧道開挖完成后施作仰拱和兩側直墻；最后施作二次襯砌。兩種支護方案主要區別為襯砌屬性的不同（如表3所示）。

圖1 海滄疏港隧道最大斷面設計施工步序圖

表3 支護參數表

結合施工開挖步驟，建立對應的隧道模型如圖2所示。土體模型為210m×200m，共計329796個單元，約束模型四周水平位移，模型底部固定約束，上部自由。計算時圍巖按彈塑性材料考慮，選擇摩爾庫倫屈服準則，上覆土體為全風化花崗巖（彈性模量E=0.5GPa，泊松比為0.28，容重為17kN/m3，黏聚力c=0.005MPa，摩擦角為28°），各組中風化花崗巖的參數如表2所示，隧道長40m。每次開挖進尺取5m，共分為8段。襯砌按完全彈性材料考慮，支護參數如表3所示?？紤]網格耦合準確，對有型鋼的初襯和二襯采用“代換剛架法”，在計算過程中將其彈性模量折算到噴射混凝土中[7]。

圖2 土體和隧道FC5段網格劃分圖

3 計算結果

3.1 隧道圍巖變形分析

第一段進尺各工況的拱頂沉降量如圖3所示。取IV級圍巖中1號和V級圍巖中4號的第一環進尺的各工況的計算結果記錄如圖3（a）所示，可以觀察到由于開挖土塊后破壞了原本的圍巖環境，拱頂的沉降量在開挖工況進行到中導坑上部開挖時顯著增大，這是由于上導坑的土體開挖后，隧道斷面拱頂與拱底不再由巖體連接，圍巖壓力逐漸轉為由結構支護體系承擔。各工況下拱頂的變形量規律和量級與類似項目接近，表明數值模擬能較好地反映實際中隧道開挖的圍巖的變形特征[5-8]。

在IV級圍巖中，兩種支護方式在開挖過程中對圍巖的變形控制效果基本一致；而在V級圍巖中，單初支雙二襯的支護方式拆撐后的拱頂沉降量小于雙初支單二襯的，說明支護體系厚度相近的二次襯砌方案可以有效控制拱頂沉降變形，發揮較好的支護作用。在拆撐階段拱頂沉降量均有一定增加。

V級圍巖和V級圍巖不同支護時隧道最終變形量如圖3（b）所示，通過橫向對比不同圍巖下不同支護方式的隧道大斷面段施工完成后圍巖拱頂與拱底的最終變形量可以發現，隨著圍巖等級的增加，巖體的完整性降低，圍巖的承載力減小，支護體系的變形增加。并且還可以觀察到，不同圍巖級別下雙初支單二襯隧道變形量均比單初支雙二襯大，特別在V級圍巖環境下，雙初支單二襯的支護方式下拱底隆起量最大達到了40mm，遠大于單初支雙二襯方式，故單初支雙二襯的支護體系較雙初支單二襯的支護體系在施工中控制圍巖的變形的效果上較顯著。

圖3 第一段進尺各工況的拱頂沉降量

3.2 支護內力安全性分析

初襯主要承受圍巖壓力，二襯作為安全儲備或承受少量圍巖壓力，為確保施工中的工程安全，應對初襯圍巖安全系數提出一定要求，即初襯后圍巖安全度不小于1.15～1.2。特大斷面隧道在安裝臨時內撐進行第一道襯砌施工時，結構的支護受力體系變化顯著，這也是支護體系較為危險的情形，因此以施工第一道初支和拆卸內撐的工況作為分析對象。

IV、V級圍巖情形下隧道支護結構內力安全系數如圖4所示。通過計算臨時支撐及初期支護的抗彎極限承載力和軸心抗壓極限承載力，并與數值模擬得到的最大彎矩及軸力作比值，得到在IV、V級圍巖參數情況下，不同支護方式的臨時支撐和第一道襯砌時內力彎矩的安全系數，如表4所示。由圖4可知，兩種工況下的支護體系的內力安全系數隨著圍巖等級增大而減小，單初支雙二襯的方案均比雙初支單二襯的安全系數高。在圍巖等級較低的環境下兩種支護方式均滿足安全度要求，第一道初支工況中，IV級圍巖與V級圍巖相比，彎矩的安全系數相差了1倍，但在第五組的V級圍巖環境下雙初支單二襯的方式中，臨時支撐工況和第一道初支工況的彎矩均較大，安全系數偏小。

表4 拆撐前支護結構的內力和安全系數計算表

圖4 IV、V級圍巖情形下隧道支護結構內力安全系數

4 結論

（1）通過有限元分析特大斷面的兩種支護方案，并對比數值計算結果與已記載的特大斷面案例可知，量級相當，變形與內力符合規律，表明數值分析模型合理。

（2）在各開挖工況下IV級圍巖中的兩種支護方式安全系數均滿足要求，圍巖安全系數均遠大于圍巖安全度要求；而在V級圍巖下建議采用單初支雙二襯的支護方案，這樣才能較好地滿足施工安全要求。

（3）海滄隧道特大斷面的支護方案可為類似工程項目提供IV、V級別圍巖環境下隧洞穩定性、圍巖洞周位移判據和圍巖安全系數參考。