浅议地下工程动态施工开挖方案的选择分析

徐 帅，赵继浪，谌万里

(1.中国华西企业股份有限公司，四川成都610081;2.四川省工程咨询研究院，四川成都610012;3.四川省第一建筑工程公司，四川成都610081)

1 地下工程开挖方案的确定

地下工程一般是采用分期或分部开挖，是与工程地质条件、施工机械设备、支护材料、支护设备、施工工艺等有关系，也与岩土力学和施工单位的施工经验、组织能力相关联。

地下工程动态施工的力学和开挖优化原理指出，地下洞室开挖应分期分块，逐步开挖形成设计形状的要求。因此，从动态规划来说，其开挖方案应该是多种多样的。但是在实际的工程施工中，受制于场地、机械、地质条件和施工单位的技术水平和组织管理能力等因素，其优化的施工方案只能是施工单位所能接受的几种方案之一，所以，所做的优化也只能是相对的最优化的施工方案。但是，仍然可以大大减少设计、施工和监理等工程参与各方的工作量，有利于降低工程成本，加快工程进度，确保施工安全。同时也应该看到，在城市建设的工程中，相对的最优化施工开挖方案能够较有效的节省资金、加快工程进度、保证工程质量、满足工程项目建设的需要。

在目前的地下工程施工中，分层分段台阶开挖，小断面挖进是一种应用相当普遍的施工方法。在软弱围岩中的地下工程的施工主要有双侧壁导洞正台阶法、中导洞掘进法、下导洞适度超前全断面台阶施工方法等。由于这几种施工方法各自具有不同的施工工艺要求，并且其开挖后围岩和支护结构的力学状态也不相同，如何选择合理的施工方法，保证地下工程施工安全。本文针对以上三种施工方法，通过简要分析比较，以期就该类型工程施工方法上找到一个经济合理、技术上安全的施工方法。

2 计算模型和有关参数的确定

笔者在计算时，假定以IV类围岩为例，考虑以平面应变的二维弹塑性有限元为模型，其计算有关参数假定为表1所示，进行有关有限元计算。

表1 计算的相关力学参数

通过对其相应的三种开挖步骤和支护过程的分析，并对以上结果进行计算分析后可得到如下结论。

(1)通过对计算结果的数值分析，本文所述的三种施工方法在各自优化开挖施工步骤施工作业后可能引起的洞室拱顶最大下沉量分为双侧壁导洞正台法51.5、65.3、81.4 mm(各个开挖步驟过程中的沉降量，下同)等，中导洞掘进法为32.8、52.9、66.9 mm等，而下导洞适度超前全断面台阶法为51.9、66.0、82.0 mm等。其中施工过程中出现的最大沉降量均在施工最后阶段出现，分别为97.8、99.3、98.4 mm，也即整体开挖与支护完成后，采用中导洞掘进法所引起的拱顶下沉量最大，下导洞适度超前法次之，而采用双侧壁导洞施工法引起的拱顶下沉量最小。另外，三种施工方案所产生的水平最大内敛位移分别为：中导洞掘进法28.6 mm，双侧壁导洞法28.3 mm，下导洞适度超前全断台阶面法28.4 mm。因此，采用这三种比较先进的施工方法所产生的变形相差不大。

(2)通过对其地下工程衬砌的弯矩和轴力的计算分析后可以发现，采用双侧壁导洞正台阶法施工时，地下工程衬砌所承受的弯矩和轴力相对较小，而采用中导洞掘进法和下导洞适度超前全断面施工法时地下工程衬砌所承受的弯矩和轴力相对较大。结合三种开挖方法下地下工程衬砌的受力特点，分析其内力的分布情况可以认为地下工程衬砌的内力特点为拱腰和拱顶的轴力较大，而弯矩的分布则相对较均匀，在边墙脚部弯矩和轴力均出现较强的应力集中。根据对该地下工程有限元数值计算的结果，综合分析洞室开挖时三种施工方案所引起的拱顶沉降及水平位移大小，可以认为若地下工程衬砌所承受的内力较小，则拱顶沉降及水平位移大，反之，若地下工程衬砌所承受的内力较大，则拱顶沉降及水平位移小。

通过对Ⅳ类软弱围岩条件下三种施工方案的有限元数值分析，从地下工程开挖引起的衬砌拱顶下沉量及水平位移大小、衬砌弯矩与轴力大小与分布等方面计算结果相比较，笔者认为：采用下导洞适度超前全断面法要比中导洞掘进法、双侧壁导洞正台阶法安全经济，在施工过程中可以结合实际情况优先考虑，以保证施工的顺利进行。