清林隧道圍巖段洞身CD法施工分析

摘要 該文依托清林隧道里程Z K52+905.895～Z K53+250段工程，通過數值軟件建立隧道模型全過程模擬隧道CD法施工，對隧道不同施工步下隧道不同部位的豎向位移、彎矩以及軸力進行了研究。研究表明：先行側導洞上臺階、后行側導洞上臺階和中隔壁拆除3個施工階段對隧道豎向位移的影響顯著；拆除中隔壁之前左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂的豎向位移；隧道邊墻底容易產生集中現象，在施工過程中該部位彎矩較大，易導致支護開裂問題；當隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形和受力均在設計值范圍內，隧道整體處于安全狀態。

關鍵詞 隧道圍巖；CD法施工；受力變形；有限元分析

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0078-03

0 引言

為滿足我國經濟飛速發展的需求，各個地區大力新建交通基礎設施，尤其是鐵路、公路等隧道工程的占比越來越大，傳統的機械開挖和鉆爆法工藝缺點明顯，無論是對周邊環境，還是對施工安全，都有一定影響。因此CD法、CRD法在公路隧道工程中的應用越來越廣泛。

目前不少學者通過有限元法、試驗法、現場實測法對隧道施工開展了研究。方勐等[1]依托云南省功東高速公路某隧道工程，基于實測數據，分析了軟弱圍巖隧道臺階法施工的受力變形規律。黃鋒等[2]基于渝萬高速鐵路孫家灣隧道工程，運用監控量測和擴張卡爾曼濾波非確定性反分析技術，對隧道掌子面附近圍巖進行了分級。魏弘銘等[3]以西溝埡隧道工程為背景，建立4種拱頂沉降回歸模型對該隧道拱頂沉降分析評價。王軍祥等[4]依托某地鐵10號線某車站區間工程，通過有限元軟件建立三維模型，分析了不同施工時步下圍巖和襯砌結構的受力變形。羅劍航[5]以廣東省某在建高速公路隧道為例，利用數值手段研究了隧道CRD施工過程中圍巖塑性區的發展規律。綜上可見，數值模擬在隧道工程設計及施工中的應用是可靠的。

為此，該文依托清林隧道工程背景，通過PLAXIS 3D軟件對隧道施工進行全過程模擬，分析了不同施工步下隧道的受力變形規律。

1 工程概況

清林隧道為上、下行分離式三車道隧道，分左線、右線布置，左線設計隧道里程ZK52+905.895～ZK53+250，長度為344.105 m，與該項目東莞段在洞身位置相接，出口設計標高約106 m，最大埋深86.35 m，縱坡坡度1.40%；右線設計隧道里程YK52+927.344～YK53+430，長度502.656 m，與該項目東莞段在洞身位置相接，出口設計標高約107.2 m，最大埋深97.07 m，縱坡坡度1.40%。

1.1 地形地貌

隧道位于丘陵區，地面標高約70.34～200.7 m，相對高差約為130.4 m，隧道呈近東西走向穿越丘陵山體，山體地形起伏較大，山體植被茂盛。清林徑水庫距離隧址最近為240 m，勘察期間水庫水面標高為50.77 m，隧道路面標高較水庫水位高，地下水由隧址區向水庫補給，水庫對隧道無不良影響。

1.2 地質構造

根據現場地質調查和地質鉆探成果，隧道地質范圍覆蓋層厚度大，地表未發現基巖出露，未測得節理裂隙發育情況，圍巖鉆孔巖芯為強風化砂巖，黃褐色，砂質結構，層狀構造，泥質膠結，節理裂隙發育，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀-短柱狀，巖質較硬，局部夾較堅硬砂巖薄層。

1.3 隧道圍巖分級分段劃分及工程特性

根據隧道圍巖分級標準《公路隧道設計規范》（JTG

D70—2018），綜合鉆探、物探、調繪成果，根據隧道巖體結構、巖石強度、完整性情況等將該隧道圍巖劃分為IV～V級，具體分級分段情況及圍巖性質如表1所示。

2 CD法施工工藝

清林隧道V級圍巖段開挖工法采用CD法開挖施工前需暫停雙側壁導坑法先行導洞開挖施工，后行導洞趕齊，先行導洞掌子面后實施CD法開挖法施工，如實際樁號發生變化宜做適當調整，具體施工步驟如下：

（1）拱部超前小導管注漿預支護；

（2）先行側導洞上臺階機械開挖或者控制爆破開挖，每循環開挖進尺不大于2榀拱架長度；

（3）先行側導洞上臺階初期支護（安裝鋼拱架、超前小導管、掛鋼筋網、安裝錨桿、噴混凝土）；

（4）先行側導洞下臺階機械開挖或者控制爆破開挖，每循環開挖進尺不大于4榀拱架長度；

（5）先行側導洞下臺階初期支護（安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝錨桿、噴混凝土）；

（6）后行側導洞上臺階機械開挖或者控制爆破開挖，每循環開挖進尺不大于2榀拱架長度；

（7）后行側導洞上臺階初期支護（安裝鋼拱架、超前小導管、掛鋼筋網、安裝錨桿、噴混凝土）；

（8）后行側導洞下臺階機械開挖或者控制爆破開挖，每循環開挖進尺不大于4環拱架長度；

（9）后行側導洞下臺階初期支護（安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝錨桿、噴混凝土），拆除臨時側壁；

（10）澆筑主洞仰拱及仰拱填充；

（11）敷設防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

3 三維有限元模型

根據現場勘察及隧道設計資料，選取樁號ZK52+950～ZK53+050，通過PLAXIS 3D進行建模，為消除模型中邊界對隧道的影響，隧道邊到模型的距離應超過3倍隧道直徑，模型長度為100 m，寬度為200 m，高度為60 m。隧道尺寸和掘進尺寸按照實際工況模擬，對三維隧洞模型進行網格劃分，共計34 651個單元，61 267個節點。模型中圍巖本構選擇M-C模型，襯砌用實體單元模擬，超前小導管注漿用軟件內置的梁單元模擬。三維模型邊界條件如下：（1）模型底部為水平和豎直方向位移約束；（2）模型四周為水平向位移約束；（3）模型表面為自由邊界，圍巖重度為27 kN/m3，泊松比為0.33，彈性模量為16 GPa，黏聚力和內摩擦角分別為6.6 kPa和41°。

模型共設置5個施工步：（1）先行側導洞上臺階開挖；（2）先行側導洞下臺階；（3）后行側導洞上臺階開挖；（4）后行側導洞下臺階；（5）拆除中隔壁。

4 數值結果分析

監測斷面（Y=50 m）隧道各位置豎向位移隨隧道掘進的變化曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著隧道的掘進，隧道不同位置的豎向位移均隨之增大，但不同施工步隧道掘進對隧道變形的影響程度不同。施工步1、3、5結束后，隧道開挖會造成隧道明顯的豎向變形，尤其當施工步3結束后，隧道拱頂、隧道左右拱肩的豎向位移較前一施工步顯著增大，因此當后行側導洞上臺階開挖時，應著重注意隧道的變形，如果豎向變形過大，應及時采取進一步的保護措施。在施工初期，左右拱肩的豎向位移有顯著差異，是因為左右導坑先后施工。當先行側導洞上臺階開挖后，該側的拱肩豎向位移明顯增大，此時后行側導洞一側的拱肩豎向位移變化較小；同理，當后行側導洞上臺階開挖后，該側的拱肩豎向位移明顯增大，此時先行側導洞一側的拱肩豎向位移增長幅度有限，當施工完成后，左右拱肩的豎向變形較為接近。

進一步觀察可知，在施工步5之前（即拆除中隔壁之前），左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂的豎向位移，因此在實際施工時，需實時監測這兩個位置的變形，但當執行施工步5后，隧道的拱頂沉降明顯增大，無論是在累計沉降值還是階段增幅都大于隧道左右拱肩的變形，是由于中隔壁的支撐作用，使得隧道拱頂的變形受到限制。因此，在實際施工時，還應著重注意中隔墻拆除后隧道拱頂的沉降變形，以防隧道拱頂變形過大造成隧道失穩，由于隧道開挖的卸荷作用，隧道周邊圍巖出現回彈，因此隧道拱底在整個施工過程中為隆起變形，且隆起變形同樣在施工步1、3、5結束后明顯增大。當中隔墻拆除后，由于失去了中隔墻的支撐作用，隧道拱底隆起位移顯著增大，對于隧道施工引起的地表沉降，在整個施工過程中，地表沉降呈緩慢增長的趨勢，當施工步5結束后，最終地表沉降值僅為2.4 mm。

綜上所述，當隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形均在設計值范圍內，隧道整體處于安全狀態。

不同施工步下襯砌不同位置彎矩及軸力的變化曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，在隧道施工過程中，隧道不同位置的彎矩變化規律各不相同，隧道KBeqZUfhYWrm4Tf/1caGPg==邊墻底的彎矩在整個過程中都較大，是因為該位置容易發生應力集中現象，因此在實際施工時，應實時觀察邊墻底是否出現支護開裂現象，一旦發生開裂，應及時采取相關措施。對于中隔壁，當施工步3結束后，中隔壁中間位置的彎矩和軸力較上一施工步都有較大的提升，這是因為左右兩側導洞的圍壓不平衡。當施工步4結束后，由于兩側圍巖均被開挖，中隔壁兩側無水平力，因此中隔壁中部的彎矩和軸力都減小，尤其是彎矩，因此施工步3結束至施工步4結束這一時期，中隔壁由于內力較大，容易發生失穩現象，一旦中隔壁破壞后，隧道失去豎向支撐，隧道穩定性會顯著降低，甚至導致隧道的坍塌，該階段應重點監測中隔壁的穩定性，一旦發生失穩，應及時施加橫撐以防失穩。進一步觀察可知，當中隔壁拆除后，由于失去豎向支撐的作用，隧道拱頂和拱底的內力均明顯增大，其中隧道拱底的彎矩迅速由正彎矩變成負彎矩，該過程中隧道拱底的襯砌有很大的安全隱患。

5 結論

該文以清林隧道為研究對象，通過有限元軟件建立三維隧道模型，分析了隧道施工過程中隧道結構的受力變形規律，主要獲得以下結論：

（1）隧道不同部位的豎向位移隨著隧道的開挖逐漸增大，施工步1、3、5會導致隧道產生明顯的變形，尤其當施工步3，在施工步5之前（即拆除中隔壁之前），左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂的豎向位移，因此在實際施工時，需實時監測這兩個位置的變形。

（2）由于隧道邊墻底容易產生集中現象，因而隧道邊墻底的彎矩在整個過程中都很大，施工時應實時觀察邊墻底是否出現支護開裂現象，一旦發生開裂，應及時采取相關措施。

（3）中隔壁的支撐作用使得隧道拱頂和拱底的受力變形得到控制，中隔壁由于內力較大，容易發生失穩現象，一旦中隔壁破壞，隧道失去豎向支撐，隧道穩定性會顯著降低，甚至導致隧道的坍塌。

（4）當隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形均在設計值范圍內，隧道整體處于安全狀態。

參考文獻

[1]方勐，丁文其，李華，等.基于軟弱圍巖山區隧道監測分析的新工法應用展望[J].現代隧道技術，2018（S2）：41-47.

[2]黃鋒，王星星，魏源泉，等.基于監控量測的隧道圍巖分級方法及其應用研究[J].鐵道建筑，2015（6）：50-53.

[3]魏弘銘，范瑛.山區公路隧道拱頂沉降回歸模型的比選[J].湖北工業大學學報，2021（2）：91-94.

[4]王軍祥，孫姣姣，陳四利.基于ABAQUS和正交試驗的隧道圍巖穩定性分析[J].沈陽工業大學學報，2018（4）：474-480.

[5]羅劍航.軟弱圍巖大跨度隧道CRD法數值模擬分析[J].西部交通科技，2017（5）：46-49+84.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：曾明亮（1989—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：道路與橋梁施工。