大跨度软岩隧道浅埋区开挖方法优选

刘伟

(陕西省公路局，陕西西安 710068)

0 引言

集宁—呼和浩特高速公路旗下营隧道位于内蒙古自治区察哈尔右翼中旗乌兰哈叶苏木，属大跨软弱围岩浅埋隧道。隧道断面形式为三心圆曲墙式断面，普通断面开挖宽度16 m，高12 m，开挖面积约156.6 m2。隧道穿越剥蚀低山丘陵，最大埋深约150 m。隧道区属于剥蚀丘陵山地地貌，隧址区上覆为第四系全新统冲积成因粉土、碎石、卵石、漂石等，下伏基岩为第三系砾岩、砂岩、砂砾岩及砂质泥岩等。隧道围岩为Ⅴ级，岩质极软，岩体破碎。在雨水浸润易软化，围岩自稳能力差，无支护时拱部易塌方，侧壁易失稳。

本文采用ABAQUS有限元软件，就三台阶七步开挖方法与CD法的全过程进行了数值模拟。通过两种工艺下地表沉降、拱顶沉降以及周边收敛情况的对比分析表明，较三台阶七步开挖方法而言，CD法更适合于旗下营隧道的施工。

1 有限元模型

1.1 开挖工艺

三台阶七步法和CD法的开挖工艺如图1所示。

1.2 有限元模型及参数选取

图1 施工工艺

本文有限元分析按平面应变问题建立二维模型。为减少模型的边界效应，选取的模型范围为:下部取至隧道底部以下60 m，左右面边界取至隧道外侧55 m，上部取至隧道顶部以上20 m。模型的左、右边界施加水平约束，底边界施加竖向约束。有限元模型如图2所示。

数值分析中，地表沉降沿垂直于隧道轴向方向间隔3 m均匀布置1～7共7个测点，其中4号测点位于隧道拱顶正上方。拱顶沉降和周边收敛测点布置如图3所示。

模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，围岩采用实体单元，初期支护采用ABAQUS中具有“追踪功能”的单元来模拟(通过ELCOPY关键字完成)，锚杆加固区通过等效强度方法实现。围岩初始力可以通过未开挖前自重应力下提取各单元的应力，然后在模拟过程中将提取的各单元应力文件通过initial conditions关键字施加到模型上，从而可以在初始应力平衡下进行开挖模拟。

图2 有限元模型

图3 测点布置

模型相关参数如表1所示。

表1 材料参数

2 数值模拟结果

2.1 三台阶七步开挖模拟结果分析

图4给出了隧道三台阶七步法开挖完成后的竖向位移云图。由图4可知，隧道开挖完成后拱顶左、中、右三个测点的竖向沉降值分别为7.34 mm，7.49 mm和7.38 mm;中间测点的竖向沉降最大，由于隧道对称开挖，左、右两测点的沉降值相当。

图4 竖向位移云图（一）

图5给出了隧道三台阶七步法开挖完成后的横向位移云图。由图5可知，对于周边收敛，拱腰处水平净空收敛值约为0.15 mm，边墙处水平净空收敛值约为0.32 mm。

表2给出了隧道开挖完成后的地表沉降值。由表2可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4号测点，约为6.17 mm;其他测点沉降值随距4号点距离增加渐小。

表2 地表沉降(一)

2.2 CD法开挖模拟结果分析

图6给出了隧道CD法开挖完成后竖向位移云图。由图6可知，隧道开挖完成后拱顶左测点的最终竖向沉降值约为6.14 mm，中间测点的最终竖向沉降值约为6.52 mm，右测点的最终竖向沉降值约为6.33 mm。

图5 横向位移云图（一）

图6 竖向位移云图（二）

图7给出了隧道CD法开挖完成后的横向位移云图。由图7可知，对于周边收敛处拱腰水平净空收敛值约为0.33 mm，边墙处水平净空收敛值约为2.88 mm。

图7 横向位移云图（二）

表3给出了隧道开挖完成后的地表沉降值。由表3可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4号测点，约为5.12 mm;其他测点沉降值随距4号点距离增加渐小。

表3 地表沉降(二)

2.3 两种施工工艺的对比分析

由以上两节分析可知，较三台阶七步法而言，采用CD法施工时隧道开挖完成后的拱顶沉降值较小，但水平净空收敛值较大。

将表2和表3所得结果绘于图8。由图8可知，两种施工工艺下隧道开挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱顶正上方4号测点，左、右测点地表沉降值基本上对称于测点4分布。较三台阶七步开挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值较小。

图8 地表沉降

3 结语

以集呼高速旗下营隧道为工程背景，采用有限元软件得到了CD法和三台阶七步法两种开挖方案的数值结果。通过拱顶位移、水平净空收敛以及地表沉降值的分析对比，得到了一些有益结论。

采用CD法施工时隧道开挖完成后的拱顶沉降值较小，但水平净空收敛值略大。两种施工工艺下隧道开挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱顶正上方，左、右测点地表沉降值基本上对称于隧道中心线分布;较三台阶七步开挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值较小。综合分析可知大跨度软岩隧道浅埋区采用CD法开挖对隧道的稳定性更加有利可靠。

［1］ 王 志.大跨度公路隧道浅埋段设计施工方案研究［J］.山西建筑，2011，37(18)：161-162.