大断面黄土隧道洞口段施工数值模拟分析

常立峰， 孙志杰

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，黄土地区公路建设与养护技术山西省重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

隧道的开挖在力学上是一个应力重分布的过程，洞室开挖后，土体的初始应力得到释放，土体中的应力状态将随着开挖与支护工作的进行而重新分布，隧道开挖的步骤及开挖次序将影响应力－应变过程，也将影响最终的应力和位移。开挖方式的不同也决定了隧道施工的安全与稳定性不同。

而黄土地层由于其特有的大孔隙、垂直节理发育结构，导致其自身承载力不强，隧道开挖后容易发生大变形，特别是刚进洞时的洞口浅埋段不仅地质情况复杂，大多数时候还伴有浅埋、偏压等问题，给施工安全带来了很大隐患［1－2］。当遇到工程及水文地质条件差而断面又大的软弱或土质围岩等恶劣工程环境时则往往采用分部开挖法（三台阶预留核心土法、CD 法、CRD 法、单双侧壁导洞法等）［3－4］。

国内外大断面公路隧道施工方法大多视工程地质状况，分别采用双侧壁导坑法、CD 或CRD 工法、台阶法、弧形导洞超前法、全断面法或其组合方法；软弱围岩地段则须经过适当的地层预加固处理后再进行开挖，并尽可能地借助于辅助施工方法将洞室化大为小、分（步）开挖，从而沿开挖轮廓等形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心部和仰拱。

我国在这方面研究起步则较晚，直到20世纪90年代的中后期才陆续兴建一些大断面公路隧道。近年来，通过引进国外较先进的施工工艺和方法，在这方面也有了一些成功的工程范例。但断面面积大、设计标准高及黄土的特殊性都决定了大断面黄土隧道的修建从设计到施工都会遇到大量的困难和问题［5］，本文依托某高速公路3车道黄土隧道，对大断面隧道常采用的3种开挖方案的（台阶法、交叉中隔壁法（CRD 法）、双侧壁导坑法）施工全过程进行仿真模拟，对围岩变形及支护结构在开挖过程中内力分布与受力特点进行分析，可供类似隧道工程借鉴。

1 工程概况

依托工程平阳高速公路某3车道黄土隧道，隧道进口位于山体侧畔的黄土冲沟中，地层结构上部为第四系上更新统马兰组（Q3m）粉土，下部为第四系中更新统离石组（Q2l）粉质黏土，隧道从下部（Q2l）粉质黏土层穿过。进口段为Ⅴ级围岩，地势较平坦，无陡坡，最大埋深40．9 m，地质条件较差，围岩自稳能力差，施工难度大。

隧道断面内轮廓形状采用5心圆拱，净跨15．15 m、净高9．64 m，高跨比为0．64，净空面积为118 m2，洞口段Ⅴ级围岩开挖面积达162 m2。

隧道洞口段超前支护采用Φ108 mm 长管棚注浆支护，环向间距40 cm，长度20 m。初期支护采用喷C25早强混凝土29 cm。I22b型钢拱架，纵向间距50 cm。纵向Φ22连接钢筋环向间距1 m。挂Φ8双层钢筋网，网格间距20 cm×20 cm（双层）。Φ25早强砂浆锚杆每根长3．5 m，50 cm×80 cm 梅花形布置。

开挖方式采用双侧壁导坑法，施工时左右导洞距离控制在3～5 m，右导洞和上半断面距离控制在3～5 m，上下半断面距离控制在3～5 m。临时支撑侧隔壁墙采用20 cm 厚C25喷射素混凝土，钢架采用I16工字钢。文中用来对比分析的CRD 工法临时支撑中隔壁墙支护形式和双侧壁导坑法相同。

2 计算模型

2．1 模型建立及参数选取

模型采用有限元程序MDAS／GTS建立，计算模型中土体采用实体单元模拟，注浆加固区将管棚本身的梁效应和注浆体对围岩的加固效应相结合，采用梁单元模拟钢管、实体单元模拟加固区围岩［6］。管棚与注浆加固区围岩的接触线共节点。据文献［7］研究，对土体进行注浆加固后其粘聚力可提高2～3倍，围岩可以提高一个级别。喷射混凝土采用板单元模拟，锚杆采用梁单元模拟。各工法计算模型如图1、图2所示。

由于管棚在洞口段被约束在套拱导向管中，而套拱长度为2 m，可认为管棚端头位移和角度变化为零，将该侧管棚梁单元位移和转角全部进行约束。管棚另一侧可认为间接支撑于初支体系上，不进行约束。

图1 加固区及开挖土体有限元模型及网格划分

图2 支护结构有限元模型及网格划分

模型中注浆加固圈和围岩都采用摩尔—库伦材料，初支体系中的C25喷射混凝土为弹性材料，各材料参数见表1［8－9］。

表1 材料参数汇总表

2．2 开挖过程模拟

开挖过程的模拟通过对开挖土体网格组的“钝化”实现。支护过程的模拟通过对支护网格组的“激活”实现。将一个相对完整的施工阶段称为施工步，并设每个施工步包含若干增量步，以更真实地的模拟施工过程。

各工法前3个施工步：Step1形成自重应力场，Step2施作管棚，Step3注浆加固。先开挖后支护，支护均落后开挖一个施工步，最后拆除临时支护。

台阶法工序为上台阶—中台阶—下台阶，开挖施工步依次为4、6、8，支护依次为5、7、9。

CRD 法工序为左上导洞—左下导洞—右上导洞—右下导洞，开挖施工步依次为4、6、8、10，支护依次为5、7、9、11。拆除临时支护12、13、14。

双侧壁导坑法工序为左侧导洞—右侧导洞—上导洞—下导洞，开挖施工步依次为4、6、8、10，支护依次为5、7、9、11。拆除临时支护12、13。

3 数值模拟结果分析及方案比选

3．1 围岩净空位移

隧道断面上各特征点如图3所示，其中竖向位移点为A、B、D，水平位移点为B、C。竖向位移为各个监测点的竖向变形，水平位移为各个监测点的水平变形。

不同工况隧道洞周围岩各特征点处竖向位移与水平位移随施工步的变化曲线见图4。图中竖向位移负值为围岩下沉，正值为围岩向上隆起。水平位移正值为围岩向隧道净空内侧收敛，负值为围岩向外扩张。

台阶法施工，上台阶开挖引起的拱顶沉降增长很快，上台阶施作初期支护后，拱顶沉降己发生了绝大部分。上台阶施工引起的沉降占总沉降量的46%。

CRD 法左侧导洞开挖支护引起的拱顶沉降量很小，当右上导洞开挖时，沉降急剧增加，直至右下导洞支护，拱顶沉降才趋于稳定。右侧导洞施工引起沉降占总沉降量的37%。

双侧壁左、右导坑开挖、支护引起少量拱顶沉降；中洞上部开挖至中洞下部施作初期支护，拱顶沉降发生绝大部分。中洞上、下导洞施工引起的沉降占总沉降量的55%。双侧壁导坑法引起的拱顶沉降最小，台阶法最大。

CRD 法和双侧壁导坑法的C 点水平位移变形规律相似，都是先增大后减小。CRD 法由于有水平支撑对围岩的约束作用，故水平位移在3个工法中最小。而台阶法由于一次开挖临空面较大，故水平位移最大。

各工况最终状态下隧道洞周围岩特征点处位移比较见图5。

双侧壁导坑法施工最终状态拱顶沉降最小。通过对B 点和A 点沉降量进行比较，发现台阶法和CRD 法下，拱脚沉降占总拱顶沉降量比例约为41%，双侧壁导坑法此比例降至32%。D 点竖向变形相差不大。仰拱隆起相差不大。

B 点水平位移双侧壁导坑法最小，CRD 法最大。C 点CRD 法最小，台阶法最大。可见不同工法下围岩水平变形规律较竖向变形复杂。

图3 围岩各特征点示意图

图4 各工法洞周围岩关键点位移随施工步变化图

图5 各工法洞周围岩关键点位移对比

3．2 极限剪应力区（塑性区）

各工况最终状态下围岩塑性区分布云图见图6。

图6 不同工况下围岩塑性区分布图

围岩塑性区台阶法时最大，集中在拱脚到墙脚区域，最大塑性应变发生在两侧墙脚处。由于台阶法较其他工法开挖跨径大，导致拱顶部分也出现塑性区。CRD 工法下围岩主要塑性区域也集中在拱脚到墙脚区域。同时在中隔壁竖向支撑处由于应力集中也出现小范围塑性区。最大塑性应变发生在后施工导坑侧墙脚处。图6（a）和图6（c）塑性区大致对称是因为支护结构的对称性。双侧壁导坑工法下围岩主要塑性区域集中在仰拱区域。同时在临时支撑处由于应力集中也出现小范围塑性区。最大塑性应变发生在仰拱两侧。

3．3 支护结构受力

3．3．1 初支弯矩

图7为不同工法下初支弯矩等值线图。

图7 不同工况下初支弯矩图（单位：kN·m）

由图7可以看出：台阶法中，弯矩极值出现在上台阶拱脚和中台阶墙脚处，而CRD 法和双侧壁导坑法中弯矩极值多位于初期支护和临时支护的节点处。故初支和临时支撑节点处应采取加强措施缓解应力集中导致的混凝土开裂。

对比各工法，初支弯矩最大值发生在采用双侧壁导坑法的工况中，正弯矩极值位于拱部初期支护与临时支护的交点处，大小为37．5 kN·m，约为CRD 法正弯矩极值的1．9倍，为台阶法的7．1倍。负弯矩极值位于墙脚初期支护与临时支护的交点处，大小为8．8 kN·m，约为CRD 法正弯矩极值的1．4倍，为台阶法的1．1倍。双侧壁导坑工法引起最小围岩变形的同时导致支护结构受力较大，而台阶法则正好相反，故在选用施工工法时应将围岩变形和支护结构受力进行综合分析。

3．3．2 锚杆轴力分析

在对初支结构内力进行分析后，对锚杆的受力也进行分析，图8为锚杆轴力图。

图8 不同工况下锚杆轴力图（单位：kN）

图8中，拱顶附近锚杆都受拉力，且拉力分布均匀沿锚杆全长，边墙部位锚杆轴力差异较大，到最底层锚杆的锚杆位于围岩的端部部分区域已受压力。

对比各工法，CRD 法下锚杆拉力极值最大，为116 kN，台阶法和双侧壁导坑法下锚杆拉力极值分别为110 kN 和106 kN，可见不同施工工法下锚杆轴力极值相差不大。

4 结论

对黄土隧道洞口段不同施工工法围岩变形及支护结构的受力规律进行分析，得出以下结论：

（1）各工法下施工阶段最不利状态。台阶法为上台阶施工，CRD 法为右上导坑施工，双侧壁导坑法为中上导坑施工，当进行到上述工序时应加强监控量测，开挖后及时施作初期支护。

（2）当围岩水平收敛较竖向沉降大时，优先采用CRD 工法。

（3）黄土隧道洞口段由于黄土自稳能力差，围岩变形大，故优先采用双侧壁导坑工法以有效控制围岩变形，且初支和临时支撑节点处应采取加强措施缓解应力集中导致的混凝土开裂。

［1］李晋文．公路黄土隧道洞口段施工技术要点［J］．山西交通科技，2012（3）：37－38．

［2］孙志杰．黄土隧道洞口段管棚预支护的围岩变形分析及参数优化［J］．水利与建筑工程学报，2013，11（5）：5－9．

［3］黄嘉亿．高速铁路隧道台阶法施工技术参数分析与应用［J］．现代隧道技术，2012，49（3）：77－82．

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［5］张顶立，王梦恕，高军，等．复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究［J］．岩石力学与工程学报，2003，22（2）：290－296．

［6］秦世华，孙志杰．三车道黄土隧道管棚预支护体系参数优化［J］．南华大学学报：自然科学版，2013，6（2）：16－17．

［7］关宝树，杨其新．地下工程管棚法［M］．成都：西南交通大学出版社，1996．

［8］重庆交通科研设计院．JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［9］王石春．隧道工程岩体分级［M］．成都：西南交通大学出版社，2007．