單洞四車道特大斷面隧道V級圍巖開挖工法比對研究

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.026

文章編號：1673-4874（2025）03-0089-05

0 引言

隨著經(jīng)濟的飛速增長，四車道及以上超大斷面公路隧道不斷涌現(xiàn)。張俊儒等1通過深入調(diào)研，系統(tǒng)分析了超大斷面公路隧道在斷面形狀、施工工法、施工力學和支護參數(shù)等方面的技術(shù)現(xiàn)狀，并指出了研究中存在的缺陷。研究強調(diào)，設(shè)計標準化、施工機械化以及結(jié)構(gòu)輕型化將是未來研究的重點方向。

劉道平2針對超大斷面隧道施工中的問題指出，這類隧道開挖步驟復雜，單次開挖過程對周邊巖石的干擾顯著，進而引發(fā)巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的明顯下降。因此，對于支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實施，必須提出更為嚴格與精準的要求，以確保工程安全。該研究統(tǒng)計了相關(guān)數(shù)據(jù)并分析了理論后，利用數(shù)值模擬對比實測，探討了超大斷面隧道圍巖壓力的時空分布特性、計算方法和施工工序優(yōu)化策略。

王哲等[3針對軟巖隧道的大變形問題進行了深入探討。定義了軟巖并進行了分級，分析了大變形的成因、分類和分級方案，并總結(jié)了相應(yīng)的控制對策。同時也指出了當前軟巖隧道大變形預測和支護中存在的問題，為后續(xù)研究指明了方向。

王明勝等[4-6則通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方式，對比分析了三臺階法臺階開挖長度和超前導洞擴挖法在控制大變形方面的效果，提出了優(yōu)化工法、提高支護參數(shù)等綜合處治措施，為實際施工提供了有益的參考。

大斷面淺埋破碎圍巖隧道因其跨度大、扁平率高、圍巖質(zhì)量差等特點，施工中分步設(shè)置需特別謹慎。分步過少可能導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而分步過多則會影響施工效率。因此，選擇合理的開挖工法對施工安全和進度控制至關(guān)重要。多位學者采用數(shù)值分析與現(xiàn)場驗證相結(jié)合的方法，對CD法、CRD法、三臺階法和雙側(cè)壁導坑法等優(yōu)選工法進行了對比分析，為實際工程中的工法選擇提供了重要依據(jù)[7-9]。綜上所述，學者們對隧道開挖方式和沉降變形做了大量研究，但仍需繼續(xù)深入。本文采用數(shù)值模擬研究特大斷面隧道不同開挖方式與沉降變形之間的關(guān)系。

1工程概況

該隧道全長約500m，坐落于西南地區(qū)，設(shè)計為單線四車道公路隧道。其具有顯著的特大斷面特性，開挖斷面高度達到14.23m，最大開挖寬度為 21.9m ，開挖斷面積接近246 m² 。隧道采用四心圓的拱形斷面設(shè)計，隧道穿越地段的圍巖等級為V級圍巖，是該線路最重要的標志性工程。隧道橫斷面如圖1所示。

2模型參數(shù)設(shè)定

圍巖、噴射混凝土和錨桿的結(jié)構(gòu)力學參數(shù)如表1所示。

3模型的建立

采用PLAXIS3D有限元軟件對隧道典型區(qū)段進行模擬分析。由彈性力學的圣維南原理可知，數(shù)值計算模型的尺寸一般取 3～8 倍洞跨距離即可消除邊界效應(yīng)，故本模型建模尺寸選取為 120m×40m×100m（x×y×z） x 為水平方向， y 為隧道軸線方向， z 為豎直方向，從 y 軸的正向進行開挖。隧道仰拱底中心坐標為 x=0，y=0 z=-40， ，隧道圍巖單元采用實體單元，初期支護采用錨桿 + 噴射混凝土支護，噴射混凝土厚度為35cm，采用板單元模擬，錨桿采用長 4m 、直徑25mm的中空錨桿，0.75m×0.8 m布置，采用軟件中的Embedded樁單元進行模擬。數(shù)值計算模型如圖2所示。

4開挖模擬方案

模型隧道開挖40m，開挖進尺控制為每2m一個循環(huán)，開挖后立即初噴混凝土進行封閉，對比分析CD法、CRD法、三臺階法和雙側(cè)壁導坑法四種開挖工法，找出隧道開挖過程中豎向總位移和階段豎向位移變化規(guī)律，并繪制豎向總位移和階段豎向位移變化曲線圖，結(jié)合隧道掘進步驟云圖，研究隧道開挖過程中不同開挖工法對豎向總位移和階段豎向位移的影響。4種開挖工法的開挖工序如圖3至圖6所示。

5計算結(jié)果分析

本文為分析不同隧道開挖進尺和不同工法對隧道沉降的影響，分別繪制不同開挖工法時累積開挖進尺與隧道豎向位移的曲線圖。同時，截取 y=24 m處斷面的數(shù)據(jù)制作成表，對比不同工法條件下該斷面隧道階段豎向位移，并結(jié)合隧道掘進階段豎向變形云圖，進行工法適用性評價。

不同開挖工法下豎向位移見圖7至圖10和表2、表3，除在進洞、出洞階段，其他階段的豎向變形分布在 2～ 5min 。各種開挖工法下隧道圍巖沉降、隆起變形量基本一致，相對而言，沉降變形是不同工法的主要差異所在。從累計豎向沉降來看，雙側(cè)壁導坑法相比三臺階法降低了 21. 1% ，相比CD法降低了 8.4% ，相比CRD法降低了18. 8% 。單獨看階段豎向沉降，在開挖到 y=24 m處，三臺階法引起的豎向沉降變形量最大，其他三種工法開挖引起的沉降變形量相當。

5.1三臺階法開挖方式和開挖進尺對隧道豎向變形的影響

如圖11所示，三臺階開挖方式下，上臺階開挖后，土體卸荷，使得拱頂沉降和拱底隆起，由于保留了中下臺階，這部分土體有效限制了周邊區(qū)域的收斂程度；當中臺階完成開挖后，雖然拱頂沉降和拱底隆起現(xiàn)象仍在繼續(xù)，中臺階支護的完成使其變形減緩，但中臺階土體卸荷也使得周邊收斂增加；下臺階的開挖進一步增加了拱頂沉降和拱底隆起，支護完成后，所有的變形都趨于穩(wěn)定。由于每次劃分的開挖斷面最大，一次性卸載土體較多，故而相對另外三種開挖工法而言，三臺階法的拱頂沉降最大。

5.2CD法開挖方式和開挖進尺對隧道豎向變形的影響

如圖12所示，CD開挖工法下，左上導坑開挖后，主要變形在開挖處拱頂左側(cè)；左下導坑開挖后，左上導坑開始初支，左上拱沉降還在繼續(xù)，但速率迅速下降，左拱肩與左拱腳呈現(xiàn)出較為顯著的變形現(xiàn)象，同時其他各部位也相繼開始發(fā)生變形；隨后，當右上導坑完成開挖后，左下導洞完成封閉，左側(cè)隧道持續(xù)變形，但基本穩(wěn)定，右上拱區(qū)域展現(xiàn)出了最為顯著的沉降變形；在右下導坑開挖完成后，右下拱底部位的隆起變形尤為突出，而其余部位的變形則持續(xù)保持著增長的趨勢，直至右下導坑開挖工作全部結(jié)束，才逐漸趨向穩(wěn)定。在采用CD開挖工法時，左側(cè)導坑的施工作業(yè)是導致隧道拱頂沉降和拱底隆起的關(guān)鍵因素。隨著初期支護和支撐結(jié)構(gòu)的施作，這些變形現(xiàn)象得到了顯著的緩解。

5.3CRD法開挖方式和開挖進尺對隧道豎向變形的影響

如圖13所示，CRD開挖工法下，左上導坑開挖后，主要變形在開挖處拱頂左側(cè)；右上導坑開挖后，左上導坑同步初支，左上拱沉降還在繼續(xù)，但速率迅速下降，右上拱沉降變形最大；左下導坑開挖后，上半部隧道持續(xù)變形，但基本穩(wěn)定，左拱肩和左拱腳變形較大，其他各部分也相繼開始發(fā)生變形；在完成右下導坑的開挖后，左下導洞順利封閉，此時右下拱底區(qū)域的隆起變形表現(xiàn)得最為顯著，其余部位的變形趨勢在右下導坑開挖結(jié)束后，才逐漸趨向穩(wěn)定。在采用CRD開挖工法時，上導坑左側(cè)與右側(cè)的施工作業(yè)是導致隧道拱頂沉降的主要因素，而下導坑左側(cè)與右側(cè)的施工則是引發(fā)拱底隆起的關(guān)鍵原因。

5.4雙側(cè)壁導坑法開挖方式和開挖進尺對隧道豎向變形的影響

如圖14所示，使用雙側(cè)壁導坑法開挖時，首先開挖左右兩側(cè)導坑，隨著兩側(cè)土體卸荷，兩側(cè)導洞開挖的拱頂沉降變形最大，中導坑保留土體聯(lián)合臨時支撐，起到較強的承上啟下作用，拱頂和仰拱變形較小，也使得周邊其他圍巖失去變形空間；其次開挖的中上導坑，挖除了中間上部土體，拱頂沉降開始加大，中導坑的上、下銜接部分隆起變形最大；而最后施作的中下導坑，由于之前開挖部分已經(jīng)完成初支封閉，變形量逐漸減小，圍巖各部位變形趨于穩(wěn)定，中下導坑開挖時除了仰拱中心底部有隆起外，其余部分圍巖變形輕微。