大跨隧道斷面穩定性分析及施工方法研究

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2025）06-0035-04

0 引言

我國的大跨隧道起步較晚[，但是隨著技術裝備水平的不斷升級，大斷面隧道發展比較迅速[2，3]。針對大跨度變斷面分岔隧道的施工特性，許多國內外學者[4，5]通過理論探討、試驗分析和數值模擬等不同方法進行了研究。

對于隧道的荷載計算，談識等學者[提出雙塌落拱假定，認為隧道松動壓力的計算值應在半結構寬度與整個開挖寬度相應的松動壓力之間取值，基于現場監測數據，提出了一種新的連拱隧道荷載確定方法，建立了深、淺埋連拱隧道荷載模式。袁龍等人針對雙側壁導坑法開挖支護進行了數值模擬，結果表明左右中導坑、中上導坑、中導坑開挖支護及鋼架拆除對隧道圍巖變形影響較大[7]。解思維等[8]認為隧道圍巖穩定受隧道埋深、開挖高度、跨度、斷面形狀和大小、開挖工藝以及圍巖支護形式等因素的影響。但是對于大跨隧道的具體施工工法，仍缺乏相關的對比分析。本研究以實際工程為研究對象，通過數值模擬的方法，對兩種常用的大跨隧道施工方法對比分析，為實際的施工提供理論依據和技術支持。

1工程概況

本文依據深圳市某大跨分岔隧道展開分析。根據隧道縱斷面圖可知，BXK1 +392 斷面處隧道拱頂的覆土厚度為 55m ，BXK1 +452 斷面處隧道拱頂的覆土厚度為37m_o 在兩個斷面之間，覆土厚度簡化為線性過度，該地區為IV級圍巖。隧道概況圖如圖1所示。

圖1隧道概況圖

2施工工法與數值模型

三臺階法采用分層漸進式開挖策略，將隧道斷面劃分為上、中、下3個施工單元。具體實施時遵循“分層推進、分段支護”的原則。在進行上臺階掘進作業時，等到推進至預設安全距離后同步開展中、下臺階施工作業，形成三級臺階協同開展施工的體系。三臺階法主要的優勢體現在可通過三級分次爆破方案有效對爆破當量進行控制，從而降低對圍巖的擾動。上層開挖也為后續的施工提供臨空界面，從而實現了炸藥消耗量優化。此外，該方法通過縮小開挖斷面暴露面積，使初期支護結構得以及時施作，充分發揮了圍巖自穩時效特性。工程實測數據表明，此工法可使圍巖變形量減少，顯著提升地下空間的安全穩定性。

雙側壁導坑法作為新奧法體系的一部分，該方法采用“分塊切割、協同支撐”的施工理念。其核心操作包含四個關鍵工序。再雙側壁導洞對稱掘進，然后保留上部核心土，再下臺階跟進開挖，最后進行動態支護體系構建。該方法在斷面劃分方面，嚴格遵循“三區控制”原則，即兩側導洞寬度需滿足 D?B/3 ？ Δ_?B 為隧道最大跨度）。這種設計具有雙重的優勢，既可利用臺階的支撐效應形成穩定結構，又能簡化施工流程，無需搭設專用作業平臺即可完成鋼支撐安裝。兩種方法的施工順序見圖2所示。

根據提供的大斷面分岔隧道縱橫面圖，大斷面計算的模型橫斷面樁號取 BXK1+392 與BXK1+452，縱向跨度為 60m ，建立數值模擬模型如圖3所示。數值模擬模型前側斷面處隧道拱頂的覆土厚度為 55m ，后側斷面處隧道拱頂的覆土厚度為 37m 。在兩個斷面之間，覆土厚度簡化為線性過度。模型的左右邊界取5倍的隧道洞徑75m ，模型的下邊界距隧道底部3倍洞徑 45m 。由于地層的差異性不大，地層簡化為均一地層。

巖體是一種很復雜的材料，其本構關系模型受到諸如土的密度、成因、含水量、應力歷史、溫度和濕度等因素的影響。在此處的計算分析中，巖體材料采用摩爾-庫侖本構模型。本研究中大斷面隧道的圍巖等級為IV級，IV級圍巖的參數選取如表1所示。

3數值結果分析

3.1圍巖塑性區演化

針對三臺階法施工，隨著上、中、下3個臺階的施工推進，其塑性區發展如圖4所示，從圖4中可以得到如下結論： ① 上臺階在施工時，塑性區首先從上臺階的腳部開始，隨后拱肩開始形成塑性區，由此可見，在上臺階施工的時候，需要及時布置好拱肩位置的初期支護，防止變形過大引起施工危害。 ② 隨著中臺階的施工，塑性區開始向上發展一直到拱頂，向下發展到拱腳，仍然是拱肩處的塑性區面積最大。 ③ 隨著下臺階施工推進，塑性區向上停止發展，而在拱腳處繼續發展。因此，在設計和施工的時候，需要加強對拱腳處的特殊設計和處理，及時布設鎖腳錨桿。

表1圍巖參數

圖2兩種方法的施工順序

圖3兩種工法的數值模型

圖4三臺階法施工圍巖塑性區分布圖

圖5雙側壁導坑法施工圍巖塑性區分布圖

針對雙側壁導坑法施工，不同階段的塑性區分布圖如圖5所示。此處的計算依然沒有考慮襯砌結構的影響，從圖5中可以得到如下結論： ① 當左導洞施工完畢時，會在整個隧道上方形成一個拱形塑性區，拱的高度約為 1.5B （B為隧道跨度），且該區域在隧道其他部位施工的過程中保持穩定。 ② 整個施工過程中，隧道底部的中央沒有形成塑性區，說明該工法能有效抑制拱底的隆起變形。 ③ 右側導洞的施工對中隔壁的影響較為明顯，即在中隔壁上產生塑性破壞，因此對中隔壁進行錨桿加固是必要的。

3.2 圍巖應力

兩種方法的最大主應力分布云圖如圖6所示。隨著三臺階的施工，隧道開挖使得拱腳處巖體引起較大的擠壓應力，最大達 1.78MPa ，而在拱頂處巖體則引起較大的拉伸應力，最大達 0.73MPa 故而容易引起這些部位的變形過大，甚至發生破壞，因此在設計和施工的時候應多加考慮，可在拱頂和拱腳處打設必要的錨桿。此外，根據隧道周邊圍巖的最大主應力分布云圖還可以看出，在隧道周邊形成一圈高應力帶，是潛在的破壞區，其中拱頂上方的高度約為 0.5B ，拱底部位約為0.15～0.2B

對于雙側壁導洞法，隧道在開挖時，主應力集中在隧道拱腳，最大壓力 1.26MPa ，最大拉應力 0.15MPa 故在設計和施工時要做好對拱腳的設計和及時支護，避免由于應力集中導致變形過大或是破壞。上述最大應力值均小于三臺階法施工引起的對應值。當左導洞施工完畢時，會在整個隧道上方形成一個拱形塑性區，拱的高度約為 1.5B ，且該區域在隧道其他部位施工的過程中保持穩定。整個施工過程中，隧道底部的中央沒有形成塑性區。右側導洞的施工對中隔壁的影響較為明顯，即在中隔壁上產生塑性破壞，因此對中隔壁進行錨桿加固是必要的。

3.3 圍巖位移

三臺階法施工過程豎向位移云圖，如圖7所示。分析三臺階法圍巖位移可知，在大斷面施工過程中，拱頂和臺階頂面的豎向變形最大，而且隨著中臺階和下臺階的開挖，豎向變形越來越大，拱頂最大沉降量 8.1mm 拱底最大隆起量 8mm 。可以得出以下結果： ① 對大跨度隧道，應在上臺階開挖后就要及時在拱底打設錨桿，起到懸吊、加固作用，限制拱頂變形。 ② 隧道的縱向開挖推進，會對已經施工完畢的圍巖產生顯著的影響，故需要對已經開挖完畢的隧道及時進行初次支護。 ③ 當一個開挖斷面形成后，其變形會隨著循環推進而增大，當4個循環進尺后，這種變形趨于穩定，故可以考慮在距離隧道開挖面 20～24m 位置處施作二次襯砌。

雙側壁導坑法施工完成位移云圖如圖8所示。分析雙側壁導坑法圍巖位移可知，施工時隧道拱頂的沉降最大，達到 8.7mm ；兩拱腰處的水平位移最大，但分布不對稱，先施工完畢時的左拱腰水平位移最大，達到9.8mm ，右拱腰次之。在計算中，每隔 6m 取一個監測斷面，每個斷面上對拱頂、拱腳、左右拱腰布設了監測點。可得以下結論： ① 雖然隧道的縱向推進，會對已經施工完畢的圍巖產生影響，在開挖面離開約 6～10m 以后，圍巖的變形趨于穩定，說明雙側壁導坑法能有效控制隧道縱向之間的相互影響； ② 隧道的收斂變形能較快達到穩定，有利于支護結構的制作和施工安全，故可以適當延緩二次襯砌的施作時間，并增加開挖步距。

圖8雙側壁導坑法施工完成位移云圖

4結束語

兩種工法的塑性區的發展模式不同，三臺階法塑性區集中在靠近隧道邊緣的圍巖，并且隨各施工步的推進，其逐漸擴展至穩定。而雙側壁導坑法，塑性區形成的不集中，在遠離隧道邊緣處能形成一個拱形的塑性區，且塑性區一旦形成能保持穩定，不再繼續發展。兩種工法都會在隧道拱腳處產生應力集中，在設計和施工時需要對隧道拱腳進行特殊處理。

從圍巖變形結果來看，在無支護的情況下，兩種工法的最終收斂變形量無明顯差別。從縱向變形比較，三臺階法施工的縱向影響較顯著，尤其是在掌子面前24～30m 的范圍內，影響較大，需要在開挖面前方25m 左右的范圍內布設超前支護。雙側壁法，其縱向影響較小，在掌子面 24m 左右的范圍內會產生顯著影響，且能使收斂變形較快的達到穩定。

從圍巖的穩定性和最終的收斂變形上看，應該優先選取雙側壁導坑法，但在施工時，應嚴格按照施工要求，做好超前支護和地質預報，確保施工的安全、順利進行。

參考文獻

[1]賀任凱.淺埋特大斷面隧道空間效應研究及應用[D].重慶：重慶交通大學，2021.

[2]鄧祥輝.大斷面軟弱圍巖隧道洞口段施工工法比較分析[].西安工業大學學報，2013（12）：974-981.

[3]鮮國.軟巖隧道臺階法與全斷面（含仰拱）法施工比較研究：以成蘭鐵路平安隧道為例[].隧道建設，2016，36（11）：1302-1309.

[4]趙博劍.漸變大斷面及分岔隧道施工方法研究[D].北京：北京交通大學，2019.

[5]谷笑旭.特大斷面城市公路隧道支護結構力學特性與施工方法研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[6]談識，丁文其.深圳某富水圍巖大跨隧道防排水體系分析]·公路交通技術，2018，34（z1）：76-82.

[7]袁龍，何文社.雙側壁導坑法在淺埋大斷面黃土隧道中的應用[].地下空間與工程學報，2022，18（S1）：289-295.

[8]解思維.黔春大道超大跨度淺埋偏壓隧道圍巖施工力學響應機制研究[D].北京：中國地質大學（北京），2023