基于数值模拟的浅埋软弱围岩大断面隧道施工工法对比研究

熊　造

(湖南省大岳高速公路建设开发有限公司， 湖南 岳阳　414000)



基于数值模拟的浅埋软弱围岩大断面隧道施工工法对比研究

熊造

(湖南省大岳高速公路建设开发有限公司， 湖南 岳阳414000)

为了探求浅埋软弱围岩大断面隧道的合适施工工法，以某浅埋软弱围岩大断面隧道为依托，采用数值模拟方法，建立浅埋软弱围岩大断面隧道施工的力学仿真模型，通过对隧道一新的施工工法(动态分部施工工法)与常用的三台阶法、CRD法、CD法及双侧壁导坑法等施工工法进行对比研究，分析动态分部工法的优缺点，并论证该新工法在依托工程施工的可行性。

浅埋； 大断面； 软弱围岩； 隧道； 数值模拟； 工法对比

1　概述

近年来，随着我国基础设施建设的不断发展，隧道工程建设已经向长、大方向发展，而长、大隧道建设本身具有一定难度，尤其当遇到浅埋、大断面、软弱围岩等特殊情况时，将会进一步加剧隧道施工的风险。目前，隧道常用的施工工法，主要有三台阶法、CRD(Cross Center Diaphragms)法、CD(Center Diaphragms)法及双侧壁导坑法等[1，2]，以上开挖工法具有各自的适用范围和优缺点，对浅埋软弱围岩大断面隧道而言，如何根据其所处的地形地质特点，选择合适的施工工法非常重要，关系到隧道施工成败与否，这也将是隧道技术人员不断面临的技术难题。

在隧道施工工法研究方面，国内外学者对其已开展了一些研究，并取得了一些成果。崔小鹏等[3]分析了三台阶七步开挖工法、CRD工法的优势与劣势，提出了隧道核心土加临时仰拱台阶法。李波等[4]采用有限元数值模拟手段，对比分析了CD法和三台阶七步开挖法的优缺点，并提出了一系列优化措施。杨友彬等[5]建立数值分析模型，考虑围岩应变软化特点，对比研究了软岩浅埋隧道常用施工工法的适用性，得出CRD法对围岩受力变形的控制效果最佳的结论。周艺等[6]采用现场试验的手段，研究了不同施工工法下软岩隧道的围岩变形、锚杆轴力、拱架及二衬内力的变化规律。张英才等[7]结合大断面黄土隧道，对传统的开挖和支护方法进行了优化，并提出了优化工法的适应范围和优缺点。佘健等[8]采用数值模拟，分析了围岩和支护结构的位移、应力场的分布情况，并优化了隧道施工方案。汤劲松等[9]采用数值模拟方法，针对破碎围岩隧道施工过程，重点分析了各施工工法下隧道围岩受力与变形特性。李沛莹[10]结合浅埋软弱围岩公路隧道，通过对现场隧道施工过程进行了仿真模拟，并结合现场监测数据，分析了预留核心土法的合理性。邹成路等[11]通过对软弱破碎围岩大断面隧道台阶法施工进行研究分析，提出了具体几何参数优化措施。

纵观以上研究成果发现，研究人员主要采用数值模拟和试验研究等手段，深入探讨了隧道常用施工工法。本文主要在前人研究的基础上，借助数值模拟方法，结合相关工程实例，建立浅埋软弱围岩大断面隧道数值分析模型，对比研究隧道动态分部工法与常用施工工法的优势与劣势，分析动态分部工法的适用性，为类似浅埋复杂环境下的隧道工程施工提供建议与参考。

2　工程概况

依托工程为单孔双车道隧道，隧道正线全长约10.115 km，开挖宽度约15 m，高度约13 m，其断面面积超过160 m2，属大断面隧道(见图1)。隧道最小埋深约4～8 m，隧道进口段洞身主要经过弱风化泥质粉砂岩、钙质砂岩及弱风化砾岩、砂砾岩等，地表、地下水均不发育，但岩石遇水易软化崩解、易风化，属Ⅴ～Ⅵ级围岩，其典型地质剖面图，见图2。

图1　隧道横断面图Figure 1　The cross section of tunnel

图2　地质剖面图Figure 2　The Geological profile

图3　隧道工序图Figure 3　　　　The tunnel process diagram

隧道分为明挖、暗挖段两部分，进口较长一段采用明挖法施工，其余为暗挖段，采用大管棚进行超前预支护。为加快施工进度，保证隧道施工工期，考虑到该隧道复杂多变的地质状况，同时，隧道传统施工方法存在工法转换困难、施工速度慢的难题，通过深入地研究分析，创造性地提出了动态分部开挖工法(见图3)，该工法巧妙地将台阶法、CRD法相融合，首先将隧道上台阶分为左、右两部分，并将中隔墙设置为直墙；其次，开挖隧道中台阶；最后，开挖隧道下台阶。

3　隧道常用施工工法及开挖工序

3.1三台阶法

三台阶法横断面图，如图4所示，主要施工工序简述如下：

① 开挖隧道上台阶1并支护； ②开挖隧道中台阶2并支护； ③开挖隧道下台阶3并支护； ④仰拱施作并回填； ⑤施作二次衬砌。

3.2CD法

CD法横断面图，如图5所示，主要施工工序简述如下：

①开挖隧道左上部1并支护； ②开挖隧道左中部2并支护； ③开挖左下部3； ④开挖隧道右上部4并支护； ⑤开挖隧道右中部5并支护； ⑥开挖隧道右下部6； ⑦拆除临时支护； ⑧仰拱施作并回填； ⑨施作二次衬砌。

图4三台阶法

Figure 4Three steps method

图5CD法

Figure 5CD method

3.3CRD法

CRD法横断面图，如图6所示，主要施工工序简述如下：

①开挖隧道左上部1并支护； ②开挖隧道左中部2并支护； ③开挖隧道左下部3； ④开挖隧道右上部4并支护； ⑤开挖速调右中部5并支护； ⑥开挖隧道右下部6； ⑦拆除临时支护； ⑧仰拱施作并回填； ⑨施作二次衬砌。

3.4双侧壁导坑法

双侧壁导坑法横断面图，如图7所示，主要施工工序简述如下：

①开挖隧道左上导坑1并支护； ②开挖隧道左下导坑2并支护； ③开挖隧道右上导坑3并支护； ④开挖隧道右下导坑4并支护； ⑤开挖隧道中间上导坑5并支护； ⑥开挖隧道中间导坑中部6； ⑦开挖中间导坑下部7； ⑧拆除临时支护； ⑨仰拱施作并回填； ⑩施作二次衬砌。

图6　CRD法

图7双侧壁导坑法

Figure 7Double side driftmethod

4　数值计算分析

4.1计算模型与参数

计算模型中，左右分别取至隧道中线外40 m范围，模型底部边界取隧道底部以下30 m范围，上边界根据实际埋深取至地表。模型左右边界设置水平约束，下边界设置竖向约束，上边界自由。围岩采用平面单元模拟，服从Mohr-Coulomb准则；初期支护、临时支护、二次衬砌均采用梁单元模拟，按照弹性材料模拟。围岩、支护结构的材料力学参数，如表1所示。

表1 计算参数Table1 Calculationparameter材料容重γ/(kN·m-3)变形模量E/GPa泊松比μ粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)围岩19.80.0070.43615管棚等效加固20.80.30.2830030初期支护22270.2临时支护22230.2二次衬砌23300.2

4.2计算结果与分析

4.2.1地表沉降

不同施工工法条件下，地表最终沉降曲线图，如图8所示。

图8　地表沉降曲线图Figure 8　The curve of surface subsidence

从图8分析可知：

① 不同施工工法下，地表最终沉降槽曲线规律一致，其最大沉降位置均位于隧道中线附近。不同施工工法下，隧道开挖引起地表相同位置的沉降大小基本满足如下关系：三台阶法最大，动态分部施工工法最小，其余工法在两者之间。由此可见，隧道采用动态分部工法施工时，其产生的地表沉降最小，控制位移沉降效果最优。

② 当距隧道中线相同距离，不同施工工法下地表沉降呈现出各自的规律特征：三台阶法施工时，隧道两侧地表沉降值基本相等，两侧基本对称；CD、CRD法施工时，其沉降值具有“隧道先开挖侧稍小于后开挖侧”的特点；而动态分部工法和双侧壁导坑法正好与之相反。可见，隧道开挖引起地表沉降规律与隧道施工工序、开挖时机间关联密切。

③ CD法、CRD法、双侧壁导坑法及动态分部工法均采用缩小隧道开挖跨度来减小应力释放，而三台阶法，主要从隧道纵向深度方向上缩小开挖距离来减小应力释放。计算结果表明，与隧道纵向深度方向上缩小开挖距离相比，横向缩小隧道开挖跨度的工法所引起的地表沉降相对较小。其主要原因是临时支护结构本身具有一定刚度，其起到了约束围岩的竖向变形的作用，并进一步抑制隧道围岩的变形发展趋势。

综上所述，从控制地表沉降效果来看，与其他传统工法相比，采用动态分部工法施工更具有优势，位移能够控制在监测范围内，更大程度地确保了隧道施工安全。

4.2.2洞内位移

不同工法施工条件下，拱顶、拱腰随隧道施工工序的沉降规律和收敛规律，分别如图9(a、b)所示。

图9　洞内位移Figure 9　The displacement of tunnel

从图9(a、b)分析可知：

① 不同工法施工条件下，隧道拱顶沉降基本符合如下规律：三台阶法最大，动态分部施工工法最小，其余工法在两者之间，这同地表沉降规律一致。采用动态分部工法施工时，其拱顶沉降值约为其它隧道工法的0.4倍左右，由此说明动态分部工法缩小隧道横向跨度措施能够有效限制隧道周边位移。

② 不同工法施工条件下，隧道拱腰水平收敛曲线大致可分为以下2种情况： 三台阶法施工，隧道拱腰水平位移向洞外扩张；而其他工法，规律基本一致，呈向洞内收敛的趋势。动态分部施工工法下，隧道拱腰收敛值基本控制在2 mm范围，由此可见，动态分部施工工法控制隧道周边收敛优势明显。

4.2.3初期支护内力

不同施工工法条件下，隧道初期支护轴力图、弯矩图，分别如图10、图11所示。

(a) 双侧壁导坑法

(b) CD法

(c) CRD法

(d) 动态分部工法

(e) 三台阶法

(a) 双侧壁导坑法

(b) CD法

(c) CRD法

(d) 动态分部工法

(e) 三台阶法

从图10、图11中可知：

① 从隧道初期支护各轴力图看出，各施工工法的初期支护轴力均呈“上大下小”的趋势。CD法、CRD法及双侧壁导坑法施工，隧道的初支轴力图呈“不对称分布、后开挖侧轴力明显小于先开挖侧的特点”，而采用动态分部工法与三台阶法施工时，隧道初支轴力图基本对称，可见竖直临时中隔墙，更能控制结构受力对称，保证了初支结构的安全。

② 从隧道初期支护各弯矩分布图看，各工法的弯矩数值差别较大，分布亦不均匀，弯矩最大值主要位于各支护措施间的搭接点，因此，在隧道施工过程中，应牢固支护措施间的连接位置，从而更好地控制隧道变形。

③ 从隧道初期支护结构受力看，采用动态分部工法施工，隧道初支轴力与弯矩数值均不大，隧道初支结构受力良好，能够确保隧道的稳定。

5　结语

① 从位移控制与力学特征来看，依托工程采用动态分部工法施工，能更有效地控制地表变形及隧道受力状态，因此对于地表位移控制严格的浅埋大断面隧道来说，采用动态分部工法施工，其具有更高的可靠性，能够更大程度地保证隧道施工的安全。

② 动态分部工法的隧道施工工序间干扰小、临时支护设置灵活方便，能够满足隧道快速施工的要求，因此，对于浅埋软弱围岩大断面隧道而言，采用动态分部工法，能够保证隧道快速安全施工，解决工期紧张问题。

[1]朱汉华,尚岳全,杨建辉,等.公路隧道设计与施工新法及其应用[M].北京: 人民交通出版社, 2002.

[2]关宝树,赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社,2011.

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A Comparative Study on Construction Method of Shallow Tunnel with Large Section in Weak Surrounding Rock Based on Numerical Simulation

XIONG Zao

(Hunan Administration LTD of Highway Express Construction,Yueyang, Hunan 414000, China)

In order to seek an optimal construction method for a shallow tunnel with large section in weak surrounding rock, based on a shallow and large cross-section tunnel in weak rock, a mechanics simulation model of a shallow and large cross-section tunnel in weak rock was conducted by the numerical simulation method. Through a comparative study between a new construction method (Dynamic Division Construction Method) and the common construction methods, such as double side drift method(DSDM), three steps method, CRD method and CD method, the advantages and disadvantages of which were analyzed. Then, the feasibility of this new method in the project construction was demonstrated.

shallow depth; large section; weak surrounding rock; tunnel; numerical simulation; construction method comparison

2016 — 05 — 19

熊造(1983 — )，男，湖南湘阴人，工程师，从事公路桥梁建设与管理工作。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0150 — 04