软岩地区大断面隧道开挖方式比选分析

■刘 刚

(山西路桥集团晋南项目管理有限公司，太原 030000)

0 引言

隧道建设过程中，不可避免的要穿越软岩地区，这对于隧道施工增加了挑战，尤其对于大断面隧道开挖，合理的施工方法意义重大[1-2]。目前来说，隧道开挖的方法有很多种，其中三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法作为常用的公路隧道的施工方式，应用非常广泛[3-5]。近年来，国内学者对不同施工方法下隧道开挖稳定作了大量研究，例如，李云刚[6]运用FLAC3D有限差分软件,对浅埋暗挖隧道施工工法比选进行数值分析，得到了各方案的施工特点；王伟锋等人[7]对全断面法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法进行模拟，分析了各工法下地表沉降和塑性区的变化特点，得出一些有意义的结论。本文主要以某隧道为例，从位移和受力方面对三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法两种方法进行了比较，以期为施工方案选取提供参考。

1 工程概况

某隧道为分离式隧道，设计南线NK0+138～NK1+070，长度 932m；北线 BK0+140～BK1+085，长度 945m，平均长度为938.5m。隧道南线纵坡大多为2.48%的单向上坡，隧道右洞纵坡大多为2.42%的单向上坡，横坡均为1.5%，南线隧道平曲线半径为610m，北线隧道平曲线半径为603m，进出口洞门形式均为端墙式。隧道设计行车速度60km/h。如图1所示，为隧道断面尺寸及支护结构图，其中隧道开挖尺寸最宽为12.86m，最高为10.24m。

图1 隧道断面尺寸及支护结构图(单位：cm)

1.1 地形地貌

拟建隧道工程地面标高最大值204.53m，最小值77.3m。场地所处地貌类型为丘陵。隧道区域内的岩石风化深度不大，主要是在中风化-未风化云母片岩岩体内通过，在工作西部及东部沿沟谷分布，主要以粉质粘土、素填土为主。含水层有第四系松散岩类孔隙潜水含水层、基岩风化裂隙水含水层、构造裂隙水含水层。

1.2 地层岩性与地质构造

隧道围岩有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，其中Ⅲ、Ⅳ级围岩占47.04%，Ⅴ级围岩占52.96%。

表1 隧道围岩类别及分布

1.3 施工方法

在南线NK0+289～NK0+339段围岩等级为Ⅴ级，拟采用施工方法包括有两种，即三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法，为了验证两种方法的优越性，下文对两种开挖方法分别建模进行分析。

2 数值建模

2.1 模型建立及材料参数

如图2(a)所示，为隧道数值模型图，考虑到隧道模型开挖影响范围，建立模型时x轴(水平方向)取100m，y轴(隧道轴线方向)取 50m，z轴(竖直方向)取 60m，且隧道中心距离模型左边界为50m，隧道顶部埋深为25m。如图2(b)和2(c)所示，为三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法两种开挖方式，具体开挖步骤分别为①～⑤和①～⑨。隧道采用锚杆、钢筋网和工字钢和喷射混凝土衬砌支护，钢筋网和工字钢支撑折合到混凝土衬砌支护上面。此外围岩采用摩尔库伦本构模型，衬砌采用shell结构单元，锚杆采用cable结构单元，衬砌厚度为250mm，锚杆采用全长注浆锚杆，长度为3.0m，具体布置方式见图1。如表2和表3所示，为围岩的力学参数和喷射混凝土和锚杆的力学参数。

图2 隧道断面及支护结构图

表2 岩体的物理力学指标

表3 喷射混凝土和锚杆的力学参数

2.2 网格划分及边界条件

如图2所示，网格单元数目为56426个，为了考虑分步开挖，在建模过程中进行开挖步分组。此外，隧道周围网格较为密集，远离隧道时网格较为疏松，以此提高精度。除上边界外，模型其它边界均设有法向约束。模型开始计算时，需要先进行初始平衡，之后将初始位移和初始速度清零，然后进行分步开挖并设置监测点，主要对南线NK0+292断面进行监测分析。如图3所示，分别对6个点进行监测，从上至下依次为拱顶、墙身、拱脚和拱底。

图3 监测点布置图

3 数值结果分析

3.1 监测点位移分析

隧道位移是反映隧道稳定与否最为关键的因素，本节主要对拱顶沉降、拱底隆起、墙身收敛和拱脚收敛值进行分析。如图4所示，为两种开挖方式下拱顶沉降与开挖步关系图，由图可知，在20步之前，二者拱顶位移均变化较小，20步之后采用双侧壁导坑法拱顶开始沉降加速，最终在100步左右趋于平衡，拱顶沉降最大值为29.8mm；而对于三台阶预留核心土法，其在40步左右沉降开始增速，也在100步左右趋于稳定，其拱顶沉降最大值为48.6mm。采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法拱顶沉降减小38.7%，即前者控制位移效果更好。

图4 两种开挖方式下拱顶沉降与开挖步关系图

如图5所示，为两种开挖方式下拱底隆起与开挖步关系图，由图可知，在20步之前，二者拱底位移均变化基本为零，20步之后采用双侧壁导坑法拱顶开始沉降加速，最终也在100步左右趋于平衡，拱底隆起最大值为9.1mm；而对于三台阶预留核心土法，其同样在20步左右隆起开始增速，且增速较前者更快，在100步左右趋于稳定，其拱底隆起最大值为14.3mm，采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法拱底隆起减小36.4%，从位移控制角度来讲，采用双侧壁导坑法效果较好。

图5 两种开挖方式下拱底隆起与开挖步关系图

如图6所示，为两种开挖方式下墙身收敛与开挖步关系图，由图可知，在60步之前，二者墙身收敛位移变化一致，60步之后采用双侧壁导坑法墙身收敛开始减缓，最终在100步左右趋于稳定，最大值为35.2mm；而对于三台阶预留核心土法，其在60步之后增速仍不减，直至在80步左右趋于稳定，其墙身收敛最大值为43.3mm，采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法墙身收敛减小18.7%。

图6 两种开挖方式下墙身收敛与开挖步关系图

如图7所示，为两种开挖方式下拱脚收敛与开挖步关系图，由图可知，在40步之前，二者拱脚收敛位移变化微小，40步之后采用双侧壁导坑法拱脚收敛开始增加，并在60步左右开始减速，最终在120步左右趋于稳定，最大值为45.6mm；而对于三台阶预留核心土法，其在40步之后拱脚收敛开始增加，直至在100步左右趋于稳定，其拱脚收敛最大值为41.2mm，采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法拱脚收敛大9.7%。

图7 两种开挖方式下拱脚收敛与开挖步关系图

如图8所示，为两种开挖方式下沿水平方向地表沉降，由图可知，在研究截面上，开挖影响范围主要集中在-40m～+40m，且呈现高斯曲线形状，满足Peck公式。采用双侧壁导坑法能有效减小地表位移，尤其在-20m～+20m范围内。采用双侧壁导坑法时地表最大沉降为7.8mm，而采用三台阶预留核心土法时地表最大沉降为17.2mm，即采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法地表最大沉降减小54.7%。

综上所述，采用双侧壁导坑法，对于控制地表沉降、拱顶沉降和拱顶隆起发挥着明显的作用，尤其对于大断面隧道而言，控制地表沉降对于工程意义重大。而对于墙身收敛和拱脚收敛，两者差别不大，均在20%之内。对于双侧壁导坑法，其相比于三台阶预留核心土法更占优势的原因是其尽可能借助于辅助施工方法或措施来化大为小、先拱后墙或先墙后拱，有效缩短了开挖面暴露时间，同时其由于是分步开挖，临空面要小得多，因此开挖扰动较小，并且中隔壁作为临时支撑，对于减小变形意义重大。

图8 两种开挖方式下沿水平方向地表沉降

3.2 支护结构受力分析

图9 两种开挖方式下支护结构最大主应力云图(单位：Pa)

分析支护结构的受力状况，能有效查明支护结构的性能发挥，如图9所示，为两种开挖方式下支护结构最大主应力云图，对于二者来说，拱顶周围均受受拉，在拱脚和拱底部位均受压，对于三台阶预留核心土法，其最大拉应力发生在拱顶，最大值为1200kPa；对于双侧壁导坑法，其最大拉应力发生在拱肩，最大值为800kPa，且其拉应力分布范围较前者较宽。出现上述的原因是，对于三台阶预留核心土法，其预留核心土的开挖面积要比双侧壁导坑法预留核心土的开挖面积大，此外，双侧壁导坑法是采用分部开挖，开挖后又及时施作了中隔壁支护，中隔壁承担了部分初期压应力，所以最大拉应力相对来说比较小，且分布较不集中，也说明采用双侧壁导坑法会使结构受力比较合理。

4 结论

本文以某隧道为例，从位移和受力方面对三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法两种方法进行了比较，得到以下结论：

(1)采用双侧壁导坑法要比三台阶预留核心土法拱顶沉降、拱底隆起、地表沉降分别减小了38.7%、36.4%和54.7%，即前者控制位移效果更好。

(2)对于双侧壁导坑法，其相比于三台阶预留核心土法更占优势的原因是其尽可能借助于辅助施工方法或措施来化大为小、先拱后墙或先墙后拱，有效缩短了开挖面暴露时间，同时其由于是分步开挖，临空面要小得多，因此开挖扰动较小，并且中隔壁作为临时支撑，对于减小变形意义重大。

(3)双侧壁导坑法是采用分部开挖，且中隔壁承担了部分初期压应力，最大拉应力相对来说比较小，且分布较不集中，也说明采用双侧壁导坑法会使结构受力比较合理。