不同工法下大斷面隧道施工圍巖穩定性研究

摘要：為了對比分析七步工法和CD工法下大斷面隧道在施工過程中其四周圍巖的穩定性，文章采用GeoFBA有限元分析軟件，建立了兩種工法的二維有限元計算模型，模擬每一步的施工步驟，計算出大斷面隧道四周圍巖在采用兩種工法進行施工時，最大主應力、應力集中系數和變形位移的動態數據，并通過對比分析，主要得到以下結論：（1）采用兩種工法進行施工時，隧道四周圍巖主應力都是在不斷增加的，主應力的峰值均出現在二次襯砌混凝土施工結束后；（2）采用CD工法時，隧道兩側的圍巖最大主應力整體上要比七步工法小一些，隧道兩側拱肩的圍巖最大主應力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部要比七步工法大一些，其余的位置差別不大；（3）采用CD工法時，仰拱底部的位移值要比七步工法小一些，但兩種工法下的隧道拱頂部位位移值相差不大；（4）CD工法塑性區的范圍、深度都略小于七步工法。

關鍵詞：高速公路；三車道大斷面隧道；圍巖穩定性；有限元

中圖分類號：U456.3+1 A 25 090 4

0 引言

近年來，我國經濟實力飛速提升，帶動公路交通領域得到較大發展，更多高等級的公路交通線路修建并投入使用，這些線路往往通過山地地段，在施工中需要打通隧道，形成公路交通系統中重要的一部分——大斷面公路隧道，其線路設計也逐漸成為建設高等級公路中至關重要的一環。大斷面公路隧道具有線路跨度大、地質條件復雜等眾多不同的干擾因素，這些干擾因素給大斷面公路隧道的設計和施工帶來了大量問題，其中就包含大斷面公路隧道圍巖的穩定性［1-2］。

在我國北京、重慶、上海等地，大斷面公路隧道已建成并正式投入使用的線路有很多，這表明近年來我國在大斷面公路隧道的施工和設計中投入了大量的工作并獲得了很多經驗［3］，但相比發達國家，在大斷面公路隧道的一些關鍵問題上仍存在一定差距，如大斷面公路隧道圍巖穩定性，雖然我國已有學者對此開展了大量研究，但目前的研究方法和研究內容尚未成體系［4-5］。

胡濤濤等［6］通過采用FLAC 3D軟件建立隧道施工過程中的數值模型，針對雙側壁導坑法和三臺階七步開挖法這兩種施工方法，對比了其在不同含水率下的圍巖壓力及豎向、水平上的變形，得到了含水率變化對炭質板巖隧道的影響規律，對實際工程和設計工作提供了一定的理論依據。邢軍等［7］針對斷層破碎帶內隧道圍巖破碎、涌水量大的特點，利用數值仿真的方法，模擬了隧道開挖和連續降雨條件下的工況，研究得知拱腰容易在開挖過程中變形發生坍塌，嚴重影響隧道的穩定性和施工時的安全性，對此提出一系列的設計和施工時的建議，以提高施工安全性。朱寶合等［8］針對高速公路隧道線路，分析不同開挖方法對圍巖穩定性的影響差異，使用FLAC 3D軟件建立了全斷面法、臺階法、CD法和CRD法這4種方法的開挖模型，對比了4種方法的圍巖變形、應力和應變分布特征，最終得到選取CD法可更好地適用于所研究的公路隧道路段，并具有更高的圍巖穩定性的結論。

本文為了對比分析七步工法和CD工法下，大斷面隧道在施工過程中其四周圍巖的穩定性，采用Geo FBA軟件建立了兩種工法的二維有限元計算模型，模擬了每一步的施工步驟，計算出大斷面隧道四周圍巖在兩種工法施工時，其最大主應力、應力集中系數和變形位移的動態數據，并對其進行對比分析，得到的結論可指導實際工程，具有一定的工程意義。

1 動態施工過程二維有限元模擬

采用Geo FBA軟件對大斷面隧道的施工過程建立二維有限元數值模型來進行動態模擬，該軟件的主要特點是：（1）其專業用于巖土及地下工程設計與施工分析，自帶配套的編程技術和繪圖系統，是包含建模、處理及計算為一體的全面分析平臺；（2）其可有效且分步模擬施工過程中的卸載、開挖、支護等，能計算出開挖過程中地下結構四周的土體變形、應力及應變的動態變化。

針對某高速公路三車道大斷面公路隧道，在進行動態施工模擬時，其流程如圖1所示。

1.1 七步工法施工

在某高速公路三車道大斷面公路隧道中選取的斷面為玄武巖的巖性、Ⅳ級圍巖、S5型襯砌，且大約埋深123 m；選取3倍洞跨作為模型的邊界范圍，其對左右邊界進行水平方向上的位移約束，對下邊界進行垂直方向上的位移約束，為了模擬上部巖體的壓力作用，對模型上邊界施加1.924 MPa 的均布荷載。模型中的材料參數如表1所示。

為了準確地模擬七步工法開挖過程，在建立模型時，將完整的施工過程分解為13步，計算分析每一步作用下模型的狀態。流程如圖2所示，部分開挖過程模擬如圖3所示。

1.2 CD法施工

為了對比不同的方法在隧道開挖過程中圍巖的變形及受力的情況，選取同一個斷面，運用二維有限元模型來模擬CD工法的動態施工過程。為了模擬上部巖體的壓力作用，對模型上邊界施加3.05 MPa的均布荷載，其余的相關參數如斷面的參數和模型的邊界條件與表1一致。

為了準確地模擬CD工法開挖過程，在建立模型時，將完整的施工過程分解為6步，計算分析每一步作用下模型的狀態。其流程如圖4所示，部分開挖過程模擬如圖5所示。

2 二維模型計算結果分析

2.1 七步工法

提取每一步的有限元模型計算結果，主要提取斷面圍巖各個特征點最大主應力和最終步圍巖特征點的累計位移，計算其應力集中系數，結果匯總如表2～4所示。

由表2～4可以得到以下結論：

（1）整體上看，在整個開挖過程中，公路隧道四周圍巖主應力是在不斷增加的，其主應力的峰值出現在最后一步的完成即二次襯砌混凝土施工結束后。

（2）當采用七步工法施工結束即二次襯砌混凝土施工結束后，由其最終步圍巖特征點的應力集中系數可以得到，在隧道兩側的拱腳處出現了結構的最大主應力，但在隧道兩側的拱肩部位出現了最大應力集中系數。第二大的應力集中系數出現在拱腳位置。

（3）由表4最終步圍巖特征點的累計位移匯總可以看出，水平方向上的累計位移值極值出現在拱腰處，數值為16.030 mm，而垂直方向上的累計位移值極值出現在底部仰拱中部，數值為30.610 mm。由整體數值的分析得出，在開挖施工過程中，隧道四周的圍巖會隨著施工的進行產生向內不斷收縮的變形，這樣的變形會使隧道斷面面積不斷變小。

（4）在七步工法施工過程中，隧道四周圍巖會形成塑性區，且隨著施工的不斷進行，塑性區的位置在不斷變化和轉移。因此，在施工過程中的支護襯砌工程措施是十分必要的，可有效地對施工安全提供一定的保障。

2.2 CD法

取每一步的有限元模型計算結果，主要提取斷面圍巖各個特征點最大主應力和最終步圍巖特征點的累計位移，計算其應力集中系數，結果匯總如表5～7所示。

由表5～7可以得到以下結論：

（1）整體上看，在整個開挖過程中，公路隧道四周圍巖主應力是在不斷增加的，其主應力的峰值出現在最后一步即二次襯砌混凝土施工結束后，眾多特征點中左側拱腳的應力增加得最多。

（2）當采用CD工法施工時，左右拱肩的應力是對稱的，二者大小基本是一致的，但由于是先施工左側，再施工右側，因此左側作為先開挖的位置其四周圍巖的主應力明顯大于右側，且主應力最大的位置前兩處依次是左側和右側拱腳圍巖特征點。

（3）由表7最終步圍巖特征點的累計位移匯總可以看出，水平方向上的累計位移值極值出現在右側拱腰，數值為22.15 mm，而垂直方向上的累計位移值極值出現在底部仰拱中部，數值為24.16 mm。由整體數值的分析得出，在開挖施工過程中，隧道四周的圍巖會隨著施工的進行產生向內不斷收縮的變形，這樣的變形會使隧道斷面面積不斷變小。

（4）在CD工法施工過程中，隧道四周圍巖基本上不會形成面積范圍較大的塑性區，因此，在施工過程中的支護襯砌工程措施能充分地對施工安全提供保障。

3 結果對比分析

通過前文，分析了七步工法和CD工法的二維有限元數值模型計算的結果，可以得到各自的施工方法下的大斷面隧道在施工階段時的圍巖穩定性，對比兩種方法，可以得到以下結論：

（1）對比兩種施工方法的最大主應力可得，在隧道開挖過程中，采用CD工法時，其隧道兩側的圍巖最大主應力及隧道兩側拱肩的圍巖最大主應力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部的要比七步工法大一些，其余的位置，兩種方法相差不多。

（2）在對比兩種施工方法下的圍巖變形位置時，可以得出，采用CD工法下仰拱底部的變形位移值要比七步工法小一些，但是兩種方法下的隧道拱頂部位位移相差不大。

（3）CD 工法塑性區的范圍、深度都略小于七步工法。七步工法開挖對施工技術要求較低，而且計算結果表明其施工仍有安全保障。CD 工法只分左右洞室兩部開挖，減少了對圍巖的擾動次數，其塑性區范圍較七步工法也有所縮小；從安全施工角度來看，CD工法則具有明顯的優越性，但是CD工法須安設臨時支撐的中隔壁，施工工序和工藝等較為煩瑣，而且費用較高、施工進度又難于加快，實際施工難以采用。

4 結語

本文基于Geo FBA有限元計算方法，建立大斷面隧道斷面的二維數值模型，考慮七步工法和CD工法兩種施工方法的施工分步和特點，通過數值模擬分析了兩種施工工法下隧道圍巖的最大主應力、應力集中系數和變形位移，并對其進行對比分析，得出主要結論如下：

（1）兩種施工方法下，公路隧道四周圍巖主應力是在不斷增加的，主應力的峰值都出現在二次襯砌混凝土施工結束后。

（2）在隧道開挖過程中，采用CD工法時，其隧道兩側的圍巖最大主應力及隧道兩側拱肩的圍巖最大主應力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部的要比七步工法大一些，其余的位置，兩種方法相差不多。

（3）采用CD工法下仰拱底部的變形位移值要比七步工法小一些，但是兩種方法下的隧道拱頂部位位移相差不多。

（4）CD工法塑性區的范圍、深度都略小于七步工法。七步工法開挖對施工技術要求較低，施工安全。CD工法在安全施工上有明顯的優越性，但是CD工法施工工序和工藝等較為煩瑣，而且費用較高、施工進度又難于加快，實際施工難以采用。

參考文獻

［1］He P，Li S，Li L，et al.Discontinuous deformation analysis of super section tunnel surrounding rock stability based on joint distribution simulation［J］.Computers and Geotechnics，2017（91）：218-229.

［2］Wang Y，Jing H，Su H，et al.Effect of a fault fracture zone on the stability of tunnel-surrounding rock［J］.International Journal of Geomechanics，2017，17（6）：04016135.

［3］吳夢軍，陳彰貴，許錫賓，等.公路隧道圍巖穩定性研究現狀與展望［J］.重慶交通學院學報，2003（2）：24-28.

［4］Zhang L W，Fu H，Wu J，et al.Effects of karst cave shape on the stability and minimum safety thickness of tunnel surrounding rock［J］.International Journal of Geomechanics，2021，21（9）：04021150.

［5］Zhang Z，Chen F，Li N，et al.Influence of fault on the surrounding rock stability of a tunnel：Location and thickness［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2017（61）：1-11.

［6］胡濤濤，葛峻愷，劉可萌.含水率對高地應力炭質板巖隧道圍巖穩定性的影響研究［J］.水資源與水工程學報，2022，33（5）：169-175，182.

［7］邢 軍，董小波，賀曉寧.斷層破碎帶內隧道施工圍巖穩定性分析［J］.災害學，2018，33（S1）：164-168.

［8］朱寶合，戴亦軍.開挖技術對隧道圍巖穩定性數值模擬分析［J］.公路，2020，65（2）：316-319.

收稿日期：2022-12-10