區間隧道擴挖工法數值模擬對比研究

歐予月

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

地鐵建設蓬勃發展，截止2020 年初，北京、上海共修建1404km 地鐵，并預計在2025 年前新增多條軌道交通線路。為滿足人口的增加和區域功能的變化，部分地區需要增設或調整部分站點。地鐵隧道擴建，具有斷面大、施工時序復雜、圍巖易失穩及支護結構易破壞等特點。因此，安全、經濟、高效的開挖工法尤為重要。

隧道原位擴建工法研究有許多先例。張正雨[1]等通過調研分析結合數值模擬將原設計的CD 法優化為超前小導管支護下的三臺階施工工法。余順[2]等通過對單洞3 車道隧道擴建成4 車道隧道擴挖方法進行研究，提出三種開挖工法并做優劣對比。賴勇[3]依托宋家溝1 號隧道，針對滲流作用下既有淺埋偏壓隧道的4 種擴建方式進行數值分析研究。譚儀忠[4]依托重慶渝州隧道對擴建施工方案進行研究并提出單側擴建施工方案。林嗣雄[5]以金雞山特大斷面隧道原位擴建工程為背景，分別對傳統中隔壁法擴挖方案和核心五步法擴挖方案進行精細化數值模擬，重點關注圍巖壓力、支護彎矩和洞身收斂隨施工過程的動態變化。丁廣[6]以南嶺隧道改擴建工程為背景，利用有限元軟件對南嶺隧道的不同擴挖方法進行分析，研究了不同擴挖方法對隧道圍巖位移的影響。本文將依托該擴建隧道工程，對比CD 法、臺階法及全斷面法。

1 工程概況

1.1 工程地質及水文環境

擬建場地原為構造剝蝕淺丘溝谷地貌，經鉆探勘察，場地內地層主要為第四系全新統(Q4)和侏羅系中統沙溪廟組(J2s)沉積巖層。第四系覆蓋層厚度一般較薄；基巖為砂巖和砂質泥巖互層的陸相碎屑巖沉積建造，含水微弱。砂質泥巖中間存在砂巖夾層，場地內的圍巖為砂質泥巖。地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發育程度控制，主要為大氣降雨補給。

1.2 開挖工法研究

隧道設計采用CD 法施工，共分4 部。本文將對比CD 法、臺階法及全斷面開挖三種開挖方法，依托于該地鐵隧道，通過建模計算，最終得出最適合該隧道的施工方法，開挖示意圖見圖1 所示。

2 隧道開挖模擬

2.1 計算模型及參數

模型采用Midas GTS 建立，左右及垂直計算范圍分別取隧道跨度及高度的3 倍，頂面取至地面。隧道圍巖本構模型采用摩爾-庫倫模型，以考慮圍巖的非線性變形，初支結構采用梁單元模擬，參數取鋼支撐與混凝土的等效計算參數，錨桿采用植入式桁架單元。CD 法隧道模型如圖2 所示，其它兩種工法模型相似。

圖2 模型網格劃分圖

模型中巖層、支護結構及混凝土計算參數見表1。

2.2 計算結果分析

2.2.1 隧道支護結構變形

通過數值模擬計算，得到三種工法的拱頂沉降結論：CD 法（5.28mm）＞臺階法(5.22mm)＞全斷面法（5.10mm）。結合工程地質情況分析，由于該隧道圍巖屬于砂質泥巖，巖質完整性較好，全斷面開挖法對其圍巖擾動次數少，且支護結構閉環及時，因此拱頂變形最小。CD 法由于開挖分部較多，對圍巖擾動次數多，耽誤隧道支護結構閉環時間，變形相對較大。

隧道底部隆起變形最大位置均位于隧道中線右側，因為既有隧道開挖時，隧道下部巖土首次經歷隆起變形，并達到新平衡狀態。現進行擴建，右側巖土被挖，底部巖土原受壓狀態發生改變，往臨空面變形大于左側。模擬結果為：臺階法=全斷面法(6.20mm)＞CD 法（6.09mm）。支護結構變形分布范圍見圖3 所示。

2.2.2 支護結構軸力

通過模型計算隧道支護結構軸力，得出隧道采用全斷面法開挖時，左右軸力程對稱趨勢，拱肩處受力最大；采用CD 法施

作者簡介：歐予月（1997-），男，漢族，籍貫：四川成都，工程碩士，重慶交通大學建筑與土木工程專業，研究方向：橋隧工程。工，軸力明顯不對稱，右側拱腰知拱肩段受拉力；臺階法開挖時，軸力與全斷面相似，但其左拱腰處局部受拉。最大軸力為：全斷面法＞臺階法＞CD 法，如圖4 所示。

表1 模型參數表

圖3 支護結構變形分布圖

3 結論與建議

本文結合依托工程對原位擴建隧道擴挖工法進行對比分析，通過數值模擬手段計算隧道圍巖變形，通過圍巖變形規律分析其工法優劣，得到以下結論。

3.1 當圍巖狀況較好時，采用全斷面開挖法對圍巖擾動次數最少，支護閉環及時，圍巖變形最小，效果最優。

3.2 原位擴建隧道底部隆起最大值位于隧道中線右側。可能是由于原左側開挖既有隧道時巖土已經經歷隆起變形，并達到平衡狀態。右側巖土層新開挖，應力重分布，導致隆起變形大于左側。

3.3 全斷面開挖時支護結構軸力最大，但其軸力較對稱，結構受力狀態較好。CD 法雖軸力最小，但其軸力極不對稱，支護結構受力復雜。

3.4 三種開挖工法數值模擬計算結果差距不大，變形均較小，對于該依托工程均適用。但全斷面開挖法效率高，經濟性更優。