公路隧道洞口段两种工法的施工力学分析

商 翔

(厦门中平公路勘察设计院有限公司 福建厦门 361008)

0 引言

随着我国社会主义市场经济的发展，公路隧道建设规模也越来越大，原来的小断面、短距离隧道已远远不能满足日渐增长的通行需求，大断面、长距离公路隧道越来越多。大断面隧道在设计时，应根据具体条件进行方案比选，进行全面的技术、经济比较。大断面隧道施工工序往往比较复杂，隧道围岩的稳定性与施工开挖方法、开挖顺序、支护方式和支护时间有着密切的关系。正确分析隧道施工过程中的围岩稳定性，以及隧道施工对周围岩体的影响范围和程度，是保证隧道安全、快速、经济施工的首要前提和必要条件。大断面公路隧道由于跨度大、进洞时埋深较浅，开挖时具有较大风险，常采用环形导坑法和上下台阶法施工。

大轮山隧道为双洞分离式双线公路隧道，单洞净跨度13.86m，净洞高9.68m，浅埋段最小埋深6m～7m左右，为预测不同开挖方式对周围环境影响，本文对其进行了三维弹塑性数值模拟，并形成结论，希冀能为今后的设计和施工提供参考支持。

1 工程概况

大轮山隧道起于厦门市同安区东山村西侧，向东北方穿过大轮山，止于厦门市新安村，作为白云大道的关键节点，建成后将成为同安区西外环一条重要的交通通道。

隧道沿线无重要建构筑物，所处地层主要为散体状、碎裂状强风化花岗岩。岩体为软岩，破碎，主要呈镶嵌状碎裂结构，局部为碎裂状松散结构。围岩基本质量指标[BQ]=117。围岩等级定为Ⅴ级。上覆土层为散体状强风化花岗岩、残积砂质粘性土和素填土。

隧道范围地下水类型主要为基岩裂隙潜水。稳定水位埋深约3.40m～13.20m。

线路参数如表1所示。

表1 线路参数表

洞口段的隧道地质情况如图1所示。拟采用上下台阶法和环形导坑法施工。

图1 洞口段地质横断面图

上下台阶法开挖时，上台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径以内，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护后形成封闭结构，若地层较差，为了稳定工作面，也可以辅以小导管超前支护等措施，详见图2a。

环形导坑法开挖时，上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土。用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面；用钢筋网钢拱架做初支；拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。从断面开挖到初期支护、仰拱封闭不能超过10d，以确保地面沉降在可控范围内，详见图2b。

(a)上下台阶法

(B)环形导坑法图2 开挖工序示意图

隧道主要支护参数如表2所示。

表2 支护参数表

2 数值模拟

2.1 模型介绍

建模计算采用midas GTS NX通用岩土有限元分析软件实现。建立三维空间模型能够较为真实地模拟开挖和支护过程，体现出各工序在空间上的安排，分析在不同施工过程中，隧道围岩与支护结构的应力应变变化规律。

(1)由于隧道主要位于弱透水层和不透水层中，因此在计算时忽略地下水渗流的影响，模拟时采用水土合算方式考虑总应力。

(2)岩土特性按Druker-Prager准则考虑。

(3)对相关分析单元采用以下方式建模：

①锚杆采用植入式桁架单元模拟；

②将钢拱架的弹性模量等效折算到喷混凝土模量中，用实体单元近似模拟；

③隧道二次衬砌采用实体单元模拟；

④初支、二衬同时施做，不考虑施工时的时间效应影响；

⑤土体采用实体单元模拟，岩体初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；

⑥超前支护的作用效应通过提高地层的c、φ值近似模拟[1]。

计算主要是对两种常用施工工法进行比较，因此仅选取单线隧道进行分析。根据岩土理论和工程经验，选取分析范围为60m×105m×70m(长×宽×高)，隧道左右侧和下侧各保留3倍最大开挖尺寸，隧道走向取60m。计算初始自重应力和开挖效应时，左右边界为受水平向位移约束的边界，底部边界为受垂直向位移约束的边界，上部边界为自由变形边界。计算模型如图3所示。

图3 模型网格划分图

2.2 土层参数

隧道开挖涉及土层主要有散体状强风化花岗岩⑥1、碎裂状强风化花岗岩⑥2、中风化花岗岩⑦以及超前加固土体。模型中将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料。参考地勘资料和相关文献资料对土层和加固土体的参数取值[2]，取各土层参数如表3所示。

表3 地层参数表

2.3 计算结果

隧道开挖造成地面沉降和开挖影响区内土体应力重分布，本节主要提取地表沉降、围岩稳定性和塑性区范围等方面的数据进行分析[3]。考虑到模型边界对结果的影响，计算结果取边界效应影响之外的单元数据。

(1)地面沉降

上下台阶法施工时，地面竖向沉降量为90.3mm；环形导坑法施工时，地面竖向沉降量为63mm，较上下台阶法减少30.2%，能够较好地控制对周边环境的影响，如图4所示。

(a)上下台阶法 (b)环形导坑法图4 地面沉降云图

(2)围岩稳定性

上下台阶法施工时，拱顶竖向沉降量为102.5mm；环形导坑法施工时，拱顶竖向沉降量为74.5mm，较上下台阶法减少27.3%，对围岩稳定有明显优势，如图5所示。

(a)上下台阶法 (b)环形导坑法图5 拱顶沉降云图

(3)塑性区范围

取开挖50m处断面进行分析，环形导坑法施工时洞周的塑性区范围比上下台阶法小，对围岩的扰动较小，围岩稳定性更高，如图6所示。

(a)上下台阶法 (b)环形导坑法图6 塑性区范围图

根据上述数值分析结果，可知环形导坑法对变形的控制较好，主要原因为：①一次开挖面积较小，围岩松弛区域较小，围岩和周边变形较小。②核心土对掌子面的反压作用。

3 结论

(1)计算结果表明，对于隧道洞口段两种常用的施工工法都能保证施工安全。

(2)上下台阶法的关键工序，是台阶的距离控制和断面的及时闭合。为了控制变形，应缩短上下台阶距离，开挖完成后立即施工初支，将围护结构尽快闭合成环。但台阶距离过短，又将增加施工工序，降低施工速度。

(3)环形导坑法的关键工序，即核心土的开挖时机。过早开挖核心土，围岩还未稳定，将导致过大变形。施工时应加强支护，及时测量围岩变形情况，待围岩变形趋于稳定后再对核心土进行开挖施工。

(4)环形导坑法能够较好地控制地面沉降，降低对周边环境影响，有效控制围岩变形，但开挖步序较多，对围岩多次扰动，实际封闭断面时间较长；上下台阶法施工工序简单，步序少，断面封闭较快，但对沉降控制不如环形导坑法。

(5)从缩短工期和经济性角度看，上下台阶法具有一定优势，从安全性、对周边环境影响方面看，环形导坑法更佳。施工时应根据围岩情况，结合超前地质预报和现场监测情况，选择合适开挖方式。

参考文献

[1] 吉小明,石明霞.浅埋暗挖隧道围岩预加固机理及稳定性分析[J].现代隧道技术,2008,238-243.

[2] 吴波,高波,骆建军.地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟[J].西南交通大学学报,20004,39(5) ,605-608.

[3] 孔恒,王梦恕,姚海波,等.城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3):485-489.