花岗岩大断面隧道CD工法开挖受力变形特征分析

刘择帅

（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500）

引言

在上世纪50 年代新奥法提出后，施工方法不断进步提高，其中CD、CRD 法的研究也层出不穷。在数值模拟方面，苏培森等对软岩隧道围岩和支护结构的施工力学行为和变形性状进行研究［3］；何云研究不同锚杆支护条件下大断面巷道的空间变形规律和围岩稳定性问题［4］；罗剑航利用有限差分软件FLAC3D，对软弱围岩隧道采用CRD 工法开挖过程中的应力、变形和塑性区的发展历程进行模拟分析［6］；石常生等对Ⅳ级围岩条件下采用的半步“CD”法隧道施工变形规律进行研究，对结构变形提出针对性控制措施［7］；蔡跃龙等通过有限元分析，证明在使用CRD 法进行施工时，在各部开挖的拐角处应力集中的程度最大［9］；张佳华针对三台阶法和CD 法，采用FLAC3D 软件对Ⅴ级围岩下的深埋隧道进行数值模拟分析［10］。大横琴山隧道位于广东省珠海市横琴山脉，研究断面位于大横琴山一号隧道YK1+180 断面，最大高度达16.32 m，最宽处为28.23 m，断面面积大于360 m2，其主要地质结构为花岗岩，围岩级别为Ⅲ级围岩，采用CD 法开挖，针对断面面积过大，左右开挖洞分上下大坑进行分步开挖。支护方案：锚喷支护，钢筋网和钢拱架联合支护体系，C25 喷混凝土31 cm。

1 有限元模型的建立

1.1 计算参数的选取

Ⅲ级围岩花岗岩岩性较好，在模拟时选择弹性或者弹塑性模拟，在其他条件相同的情况下使用弹性土体本构及摩尔-库伦土体本构进行模拟，观察结果情况。弹性土体本构及支护结构参数见表1、摩尔-库伦土体本构及支护结构参数见表2。

表1 弹性土体本构及支护结构参数

表2 摩尔-库伦土体本构及支护结构参数

1.2 有限元模型的建立

使用ABAQUS 软件建立200×120 的二维平面模型，采用实体单元模拟土体结构；采用梁单元模拟初期支护及锚杆结构；模型下部进行X、Y 方向的约束，左右边界约束X 方向，开挖过程见图1。

施工步序：右上导坑→右下导坑→左上导坑→左下导坑→拆除中隔壁。在计算分析步序中，设置在土体开挖时，先设置开挖区模量衰减40%，随后施加初期支护及锚杆，最后去除开挖部分，以此来模拟应力释放。模型网格划分见图2。

图1 施工步序

图2 模型网格划分

2 数值模拟分析

2.1 弹性土体本构及摩尔-库伦土体本构模拟结果对比

弹性土体本构与弹塑性土体本构模拟结果对比见表3。可以看出，在其他条件相同的情况下，其拱顶沉降仅相差6×10-5mm；两种模拟相应位置的锚杆轴力、支护轴力及弯矩都相差极小，证明在该土体条件下，使用弹性土体本构进行模拟，在误差允许范围内。本工程条件下，花岗岩的岩性较好，即便使用弹塑性土体本构进行模拟，其结果也未出现塑性应变，证明弹性土体本构也可在模拟中使用。

表3 弹性与弹塑性土体本构结果对比

图3 各施工步合位移云图

2.2 围岩位移变化分析

在隧道开挖后，即使及时进行支护，由于应力的释放，岩体也会产生位移。利用有限元模拟结果，观察围岩位移变化情况，有利于明确围岩最不利部位，以确定围岩位移监测的着重点。每一施工步序后的围岩合位移、竖直位移、水平位移变化图，见图3～图5。

根据数值模拟计算，在每一施工步序开挖后，开挖空洞上下中部产生较大位移变化，上部向下沉降，下部向上隆起，且水平位移明显小于竖向位移，因此使用竖向位移作为判断的主要依据。各施工步竖向位移分布见图6，选取拱顶、左右拱肩、仰拱及地表等特征点，观察其位移变化规律。

从图4～图6中可以看出：（1）在中隔壁拆除之前，右拱肩的下沉值大于拱顶的下沉值，同时在左上导坑开挖后，左拱肩的下沉值也大于拱顶的下沉值，因此在开挖导坑的过程中，应对右拱肩及左拱肩处进行实时监测。（2）在中隔壁拆除后，拱顶的下沉明显大于拱肩处，且下沉幅度明显大于之前施工步，说明中隔壁对围岩起到一定的支护能力，在支护结构稳定的前提下，在中隔壁拆除后，需对拱顶部位的下沉进行监测，以防止拱顶下沉过大而产生不利影响。（3）在导坑开挖时，导坑下部围岩会有一定量的隆起，尤其在中隔壁拆除后，仰拱处隆起较大，是因为岩体开挖卸荷后土体回弹造成的，所以在实际工程中，可以在中隔壁拆除后施加仰拱。（4）在中隔壁拆除后，地表沉降相对较小，应对拱中心处地表进行监测，预报不易观察的拱顶至地表段土体发生的不利变化。

图4 各施工步竖向位移云图

图5 各施工步水平位移云图

图6 各施工步竖向位移分布

2.3 支护结构稳定性

2.3.1 锚杆应力分析

在隧道施工中，锚杆的支护机理在于支护结构中锚杆深埋于围岩之中，将围岩加固在一起，使围岩自身支护自身，因其对围岩的约束力是通过锚杆与围岩之间的剪应力传递的，所以锚杆在围岩中大多受拉力［2］。

图7为各施工步序锚杆轴力云图，通过软件处理，将锚杆受压部分显示为黑色，同样可以看出锚杆大多受拉，使用有限元数值模拟，就可以单独观察锚杆受力，以确定围岩稳定状态。

图7 各施工步序锚杆轴力分布云图

可以看出，在中隔壁拆除之前的各施工步序中，位于拱顶和各开挖洞的洞脚处锚杆受压，但数值较小，在其余位置大多受拉，且其值在一定的范围内波动。实际上，在ABAQUS 软件中，将锚杆内嵌到围岩中，相当于提升围岩的黏聚力，锚杆轴力分布受围岩位移变化、复杂应力等影响。针对在拱顶及各开挖洞洞脚极小范围内，邻近锚杆轴力相差极大的情况，建议在拱顶各开挖洞洞脚处进行安全监控。

2.3.2 初喷应力分析

借助有限元模拟，可以了解支护结构内部情况，使用梁单元对其进行模拟，观察其轴力及弯矩分布情况，判断支护结构可能开裂的部位，在进行监测时，对这些部位进行重点监测，能够提高效率及准确率。图8～图9 为支护结构各施工步序轴力分布图及各施工步弯矩分布。

图8 各施工步序初喷轴力分布云图

图9 各施工步序初喷弯矩分布云图

（1）由图8 可得，由于围岩变形向内挤压，初喷轴力多为受压，且数值较大，而且初喷紧贴岩壁，因而受拉区域均在围岩位移较大处，在各个施工步后，轴力较大处多位于开挖坑洞的洞脚处。（2）由图9 可得，中隔壁在壁顶、壁底及壁中处弯矩值较大，在中隔壁拆除后，弯矩值较大处也集中在拱顶、边墙、拱脚及仰拱等部位。

隧道拱顶、墙脚、边墙、仰拱及中隔壁壁中处的单元应力是处于最可能的不利点，且由于结构受力沿中隔壁对称，其轴力及弯矩呈对称分布。选取先开挖边关键部位作为参考分析点，列出其轴力及弯矩值，其结果见图10、图11。

图10 各施工步序关键点弯矩

图11 各施工步序关键点轴力

由图10 和图11 可得：从弯矩来看，墙角处的弯矩值一直较大；从轴力来看，墙角与边墙处的轴力仅次于中隔壁，对于扁平状的隧道开挖，墙角及边墙处也极易产生应力集中，所以对墙角及边墙处应该重点监测，若有支护开裂情况，应及时进行安全警报。（1）中隔壁在左上导坑开挖后轴力和弯矩都急剧增大，其作为竖向支撑，轴力值显然较大，再加上当弯矩过大时，中隔壁极易失稳，发生破坏，所以在施工时需对中隔壁进行重点观测，监测其稳定性并且观察是否开裂，必要时施加横撑或者其他保护措施以防止失稳。（2）自右下导坑开挖后，仰拱处的弯矩值巨大的变化可能是由于仰拱处的围岩产生极大的向上隆起，同样在实际工程中，可以待中隔壁拆除后施加仰拱来保护围岩。

3 结语

（1）针对本工程中围岩为Ⅲ级围岩花岗岩，其岩性较好，在数值模拟时，使用弹性土体本构及弹塑性土体本构计算的结果差距不大，在可以忽略的误差下，可以使用弹性土体本构进行模拟。（2）根据围岩位移变化，应着重观察拱顶、拱肩、仰拱中心的竖直方向位移变化，尤其在中隔壁拆除后，应对拱顶的位移变化重点监测，并对地表沉降进行监测。（3）根据支护结构和锚杆轴力及弯矩分布，应对拱顶、拱脚、边墙及着重监测，观察是否开裂，以防止不利影响的产生；同时也不能忽视中隔壁的监测，必要时施加横撑防止中隔壁失稳。