基于牛寨山大跨度隧道施工方法优化分析

■程 怡 王 凤 陈建飞 黄学漾

(1.阳光学院土木工程学院，福州 350015；2.福建省建筑科学研究院，福州 350025）

基于牛寨山大跨度隧道施工方法优化分析

■程 怡1王 凤1陈建飞1黄学漾2

(1.阳光学院土木工程学院，福州 350015；2.福建省建筑科学研究院，福州 350025）

本文以金井湾大道牛寨山隧道为工程背景，基于精细化有限元模型，模拟了双侧壁导坑法与上断面导坑法两种隧道开挖方法，并对其进行优化分析，分析结果表明：两种开挖方法临时支承的内力相差不大，承载能力均满足要求；上断面导坑法拱脚处弯矩较大承载力不满足要求，而双侧壁导坑法虽然承载力满足要求，但工期过长；通过在左上导坑与右上导坑分别增加一道竖撑的优化方法，可使上断面导坑法承载力满足要求；故可使用优化后的上断面导坑法进行工程背景隧道开挖。本文所述的基于有限元分析的隧道开挖方法比选方式可为其他类似工程提供借鉴作用。

大跨度隧道 有限元模型 双侧壁导坑法 上断面导坑法 优化分析

1 引言

近年来，我国公路建设快速发展,公路不断向山区延伸，公路隧道建设工程急剧增多，隧道工程设计水平和施工方法也不断完善，大跨度隧道不断涌现[1]。在大跨度隧道修建中，如何选择正确的施工方法，以保证工程的安全建设和经济效益是一个非常重要的课题[1]。隧道在复杂条件下的施工是一个在时间和空间上根据实际工程条件，应用合理的开挖方式和施工方法、选取合理的支护参数和时机以保证洞室围岩稳定的过程。正确分析施工过程中围岩的力学性态以及对隧道围岩与支护体的相互作用进行切合实际的研究，是保证复杂条件下隧道安全、快速、经济施工的首要前提和必要条件。

在大跨度隧道或者地下空间结构开挖施工过程中，势必会影响原有地形，改变结构周围土体的力学特性，导致地表发生沉降，严重影响周边建筑物的安全。因此，合理的隧道开挖方法和辅助工法的选择对维护地下工程中地下结构的稳定性有着重要作用[2-5]。上世纪70年代，Wittke[1]首先提出了地下隧道施工开挖步骤的概念；Dolezeloval[1]研究了施工顺序对地下隧洞的稳定性影响，指出不同的施工顺序将导致不同的计算结果。近些年来三导洞法、台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等方法[1]被经常用于大跨度隧道的开挖。在隧道开挖前需对不同的方法进行方案比选，方可得到最佳的开挖方法。

基于此，以金井湾大跨度隧道为工程实例，通过数值模拟和对比分析，开展大跨度隧道施工开挖方法研究，对大跨度隧道在施工技术方面实现突破与创新，为类似工程的方案比选提供借鉴作用。

2 工程概况

金井湾大道为平潭综合实验区 “一环两纵三横”城市快速路及城市主干道系统中的东西向快速路。金井湾大道牛寨山隧道位于平潭城区西侧，设计为分离式双向八车道，单洞开挖宽度达21m。隧道进口位于东壁村，出口位于红山村。隧道北线(左线）总长868m，南线(右线）总长829m。建筑限界18×5m。隧道线平面位于直线及半径2000m的圆曲线上，纵向均按双向坡设计，坡度分别为+0.3%、-0.3%。进出口洞门形式均为削竹式洞门。隧道采用灯光照明，机械通风。隧道设车行横洞一处，人行横洞二处。

3 有限元数值模拟

在大跨度隧道开挖过程中通常采用分部开挖方法，如双侧壁导坑法、CRD法、上断面导坑法、台阶法等。采用分部开挖时，开挖方法的选择会直接影响隧道围岩的受力特性和变形。为分析不同的开挖方法对地表沉降、围岩变形及围岩塑性区的影响,通过有限元程序,结合工程实际针对双侧壁导坑法和上断面导坑法进行数值模拟分析。

3.1 有限元模型

采用MIDASSOILWORS软件进行隧道开挖方法模拟，根据工程地质勘查报告，选定的具体地层参数见表1。

表1 地层参数

结构参数按实际喷混凝土厚度取值，建立隧道总体模型，如图1所示，细部模型如图2所示。

图1 结构总体模型

图2 隧道细部模型

3.2 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法开挖为应用较为广泛的施工方法，施工技术成熟。其主要施工步序为：原地基应力分析→左上导坑→左下导坑→右上导坑→右下导坑→中上导坑→中下导坑→拆除中隔墙，每一导坑分别完成开挖、初喷、硬化三个工序，如图3所示。

图3 双侧壁导坑法开挖示意图

通过初步分析，如图4、5、6所示，隧道永久初期支护内力满足要求。临时初期支护主要针对弯矩产生的大偏心破坏，根据上述计算结果，在左下导坑硬化和中下导坑硬化两个关键步序中，危险截面内力组合(弯矩，轴力）分别为 90.9kN·m，202.1kN 和 84kN·m，785kN。 上述内力为每延米临时初期支护截面，即1m宽，0.2m厚C25混凝土截面与两根工16组合截面承受的内力，通过型钢组合截面计算，截面强度满足要求，但V级围岩双侧壁导坑法开挖施工工序较多，施工进度较慢。

图4 左下导坑硬化步序内力图(双侧壁导坑法）

图5 中下导坑硬化步序内力图(双侧壁导坑法）

图6 拆除中隔墙步序内力图(双侧壁导坑法）

3.3 上断面导坑法

V级围岩采用上断面导坑法，施工步序为：原地基应力分析→左上导坑→右上导坑→中上导坑→左下导坑→右下导坑→中下导坑→拆除中隔墙，每一导坑分别完成开挖、初喷、硬化三个工序，如图7所示。该工法施工进度较快，但在四车道隧道中可借鉴的成功经验较少。

图7 上断面导坑法开挖示意图

根据计算结果，如图8、9、10所示，在中下硬化步序和拆除内撑步序中，内力结果与双侧壁导坑法相差无几，截面满足强度要求。但在中上硬化步序中，危险截面内力组合(弯矩，轴力）为 171.6kN·m、23kN，已经超过临时初支型钢组合截面能够承受的内力。因此该方法虽可大大缩短工期，但其承载能力不能满足安全施工要求。

图8 中上导坑硬化步序内力图(上断面导坑法）

图9 中下导坑硬化步序内力图(上断面导坑法）

3.4 上断面导坑法优化

如图8所示，上断面导坑法在上部三个导洞开挖完成后，拱脚处出现的弯矩较大、轴力较小，承载力不满足要求，其主要原因是由于拱的矢跨比太小，造成拱脚应力过大。若采用上断面导坑法需采取加强措施，即在左上导坑与右上导坑分别增加一道型钢竖撑以消减拱脚处弯矩，保证施工安全，如图11所示。

图10 拆除中隔墙步序内力图(上断面导坑法）

图11 上断面导坑法优化方案

根据计算结果，如图12、13、14所示，优化后的上断面导坑法在中下硬化步序、拆除中隔墙步序中，内力结果均较小，截面满足强度要求。在中上硬化步序，因左上导坑与右上导坑均增加了一道竖撑，危险截面内力组合(弯矩，轴力）由原上断面导坑法的171.6kN·m，23kN优化为106.4kN·m，147kN，弯矩降低，轴力增大，截面强度满足要求。且其工期大大短于双侧壁导坑法，因此可采用优化后的上断面导坑法进行施工。

4 结论

通过计算分析，在V级围岩大跨度隧道中采用导坑法施工时，可以得出以下几点结论：

(1）双侧壁导坑法和上断面导坑法中的永久支撑在拆除临时支撑后弯矩均较小，承载力均满足要求，六个导洞均开挖完后，两种开挖方法临时支撑的内力相差不大，承载力均能满足要求；

图12 中上导坑硬化步序内力图(优化后的上断面导坑法）

图13 中下导坑硬化步序内力图(优化后的上断面导坑法）

(2）上断面导坑法在上部三个导洞开挖完成后，拱脚处的弯矩较大、轴力较小，承载力不满足要求，双侧壁导坑法在开挖过程中避免了过小的拱矢跨比出现，因此拱脚弯矩较小，同时因双侧壁导坑法临时支撑的不利位置在于竖向支撑，而竖向支撑存在较大轴力，当弯矩造成大偏心破坏情况时，轴力是有利的，然而双侧壁导坑法施工进度较慢，难以满足工期要求；

图14 拆除中隔墙步序内力图(优化后的上断面导坑法）

(3）考虑到工期要求，可采用优化后的上断面导坑法进行施工，即在左上导坑与右上导坑分别增加一道竖撑，以消减拱脚处弯矩，保证施工安全。

[1]邓寄生,许人平,吴从师,丁祖德,王宪.大跨度隧道施工方法探讨[J].公路与汽运,2007,(6）:140-143.

[2]王华宁,曹志远.岩体施工过程损伤演化预测的时变力学分析[J].应用力学学报,2002,19(4）:134-139.

[3]喻渝,赵东平,曾满元，等.客运专线超大断面隧道施工过程三维力学分析[J].现代隧道技术,2005,42(4）:20-24.

[4]张志强,何川.连拱隧道中隔墙设计与施工力学行为研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8）:1632-1638.

[5]丁文其,王晓形,李志刚，等.龙山浅埋大跨度连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22）:4042-4047.

福建省中青年教师教育科研项目（JAT160627）