施工方法对大断面浅埋暗挖隧道力学变化影响的分析

黄春晖

【摘 要】大断面浅埋暗挖隧道具有跨度大、覆土浅、开挖变形量大等特点，不同的施工方法导致围岩和支护结构力学变化显著。本文建立有限元模型重点模拟CD法和双侧壁导坑法两种施工方法，分析隧道变形和塑性区变化差异。两种方法在施工期间引起的隧道变形、塑性区发展范围相差较大，其中双侧壁导坑法对隧道周边围岩控制变形和塑性区范围更为有利。

【关键词】大断面；浅埋暗挖；施工方法；力学变化；有限元

引言

随着交通量的剧增和高速公路的蓬勃发展，隧道建设越来越受到重视[1，2]。同发达国家相比，我国在公路隧道尤其是大断面浅埋暗挖隧道的系统研究方面仍存在较大的差距。本文针对某高速公路大断面浅埋暗挖隧道建立有限元模型，采用CD法、双侧壁导坑法两种施工方法，对隧道的力学变化进行深入的模拟分析。

1.大断面浅埋暗挖隧道模型

1.1工程概况

某高速公路小净距隧道，单洞结构几何断面：净宽15.15m，净高9.99m，内净空面积100.10m?。

初期支护参数为：

24cm×24cm格栅钢架纵向间距0.5m；

φ8mm@20cm×20cm双层钢筋网；

30cm厚C25喷射混凝土；

钢架设置Φ25mm纵向连接筋，环向间距0.5m。

1.2 有限元模型

计算采用的围岩物理力学参数参照地质资料，对双侧壁导坑法、CD法等施工方法隧道支护参数均相同。

计算采用有限元软件midas GTS，建立隧道-围岩耦合模型。围岩选用平面四节点实体单元模拟，材料特性符合弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则；初期支护采用梁单元模拟，二次衬砌采用四节点实体单元来模拟，材料符合线弹性材料特性。模型不设置锚杆，注浆加固作用采用提高围岩力学参数的方法来模拟。

模型计算范围：水平方向以隧道中线为中心向左、向右各取侧取30m；竖直方向自隧道底部向下取50m为模型底部边界，自隧道顶部向上取至地面。

2.不同施工方法的受力分析

2.1 CD法计算结果

CD法施工左、右洞开挖完成后隧道围岩结构竖向位移和水平位移分布如图3、图4。

由以上图表可知：

1）左右洞开挖后，周边围岩的竖向沉降最大值出现在洞周拱肩位置，左、右洞最大沉降量分别10.0cm、10.5cm；最大隆起均发生在左侧导坑隧底，分别为2.93cm、2.95cm。左右洞洞周水平位移分布规律基本相同，左右拱肩分别产生反向位移。说明左右导坑开挖时，开挖侧由于土层开挖导致地层应力重分布，开挖侧土压力对初期支护产生作用，使其产生变形。

2）左右洞开挖后，竖向变形基本呈现对称分布。竖向位移最大点均出现在靠近中岩柱侧的拱肩位置，右洞竖向位移要略大于左洞。左洞先施工对围岩造成了扰动，后开挖右洞之前需对中岩柱附近围岩进行加固，防止开挖出现变形过大。洞周最大水平位移均发生在各洞室的左拱肩位置，左右拱肩位移呈现非对称分布。说明右侧导坑后开挖会对左侧先开挖导坑造成一定的影响，施工过程中应做好临时支护后再进行后开挖导坑的施工。

3）随着左洞开挖，左洞左右拱肩的竖向位移均不断增加，且左右拱肩竖向变形均出现在各侧的上部开挖过程。已左拱肩为例，左上、左中、左下三步开挖时，左拱肩竖向变形分别占左拱肩总共竖向位移的48.1%、26.4%、15.2%。可见，左右侧上部导坑是整个隧道开挖过程中关键的施工步骤。

2.2 双侧壁导坑法计算结果

双侧壁导坑法施工左右洞开挖后隧道围岩结构竖向位移和水平位移分布如图5、图6。

由以上图表可知：

1）双侧壁导坑法左洞开挖后，洞周围岩竖向位移基本呈现对称分布形式，最大竖向沉降出现在拱顶和左右导坑的拱肩位置；右洞后开挖时，围岩的竖向位移呈现不对称分布，最大竖向沉降出现在左洞的右拱肩部位，说明后开挖洞室对先开挖洞室产生较大影响。

2）左右洞开挖后，围岩竖向隆起最大均出现在仰拱中心部位，但是竖向隆起的分布并不像左洞开挖时那样对称分布，并且左洞（先开挖）拱底隆起量要明显大于右洞（后开挖）拱底隆起量。说明新开挖洞室要及早的进行拱底初期支护的封闭成环，控制拱底隆起位移。

3）左洞开挖过程中，洞室各特征点的竖向位移变化不相同。左上导坑、左中导坑开挖时，左拱肩竖向位移依次为 1.68cm、0.53cm，对于拱肩而言，该侧上导坑、中导坑开挖是其竖向变形控制的关键施工步骤。对于拱底而言，中中导坑、中下导坑为其关键施工步骤。

3.CD法和双侧壁导坑法的变形对比

3.1变形

两种施工方法下左右洞开挖围岩各特征点竖向位移和水平位移见表3、表4。

不同施工方法开挖左洞后，洞周竖向位移变形分布差异较大。CD法和双侧壁导坑法，洞周最大位移均在左拱肩处。采用CD法和双侧壁导坑施工时，临时支护将隧道分为若干小洞室，每个洞室变形均呈现单洞室变形特征。

采用CD法施工，右洞拱肩处竖向变形产生突变，右洞左右拱肩竖向变形分别由-1.55cm、-0.92cm增加到-10.52cm、-8.54cm，易导致塌方危险。故对于浅埋大断面暗挖隧道宜采用双侧壁导坑法控制洞周变形。

3.2塑性区

CD法施工左、右洞围岩塑性区主要集中在拱肩和拱脚处；而当右洞紧跟开挖后，围岩塑性区主要分布在中岩柱，中岩柱底部塑性区已经贯通，这是因为右洞后开挖导致先开挖完成的左洞洞周围岩产生应力重分布，塑性区开始由左洞洞周转向左右洞之间的中岩柱部位。施工过程中要注意对中岩柱范围提前加固，防止发生塌落等危险。

双侧壁导坑法施工左、右洞围岩塑性区范围非常小，主要分布在拱肩部位。左右洞洞周围岩塑性区分布呈现非对称分布，塑性区基本均出现在先行开挖左洞。说明双侧壁导坑法施工可以很好的控制洞周围岩的变形，并且洞周主要塑性变形主要集中在先行开挖洞室一侧。

4.结论

运用MIDAS有限元软件对大跨度浅埋暗挖隧道进行了两种施工方法的数值模拟，分析了在CD法和双侧壁导坑法两种施工方法下隧道围岩力学变化的特点，重点是受力和变形的情况。通过研究发现：CD法施工隧道竖向最大沉降量发生在左右拱肩位置，最大隆起发生在仰拱靠近拱脚侧；而双侧壁导坑法对应的洞周最大竖向沉降发生在左右拱肩、拱顶三个位置，最大隆起发生在仰拱中心位置。得出如下结论：

（1）CD法和双侧壁导坑法施工时左右拱肩向隧道内侧发生水平变形，左右边墙发生水平变形，临时支护将洞室分为若干小洞室，隧道受力近似为拱形受力状态。所分小洞室越多、开挖步骤越精细、隧道变形量越小。

（2）采用CD法时，塑形区广泛的分布在拱肩及拱脚处，中岩柱有塌方风险；采用双侧壁导坑法施工时，洞周塑性区只分布在靠近中岩柱侧的拱肩处且范围较小，相对较安全。

（3）浅埋大跨度暗挖隧道施工采用双侧壁导坑法能够较好的控制洞周围岩塑形区发展、较严格的控制隧道施工期间变形量、支护结构的受力同时也相对较小。

参考文献：

[1]段慧玲， 张林. 大跨度公路隧道合理開挖方法对比研究[J]. 土木工程学报， 2009（09）：114-119.

[2]王亚奇. 大跨度公路隧道受力状态监测及分析研究[D]. 中南大学， 2008.

[3]温桂安， 王德仙. 大跨度黄土隧道施工技术[J]. 铁道建筑技术， 2002（3）.

[4]王拓新. 大跨度黄土隧道施工方法研究[D]. 长安大学， 2012.

[5]夏鹏. 大跨度黄土隧道洞口浅埋段支护效果研究[D]. 长安大学， 2010.endprint