大跨度隧道开挖方案优化研究

石龙飞

摘要：文章以乌尉隧道为工程依托，采用有限元分析软件MIDAS GTS对隧道开挖过程进行三维数值模拟分析，开展了大跨度、大断面隧道开挖方案比选、优化研究。研究表明：在采用二台阶新四步开挖法时，选取洞跨最宽分界处的0.68 H作为上台阶高度，选取L=9～12 m范围内数值作为台阶长度，可为类似工程提供参考。

关键词：大跨度隧道;三维数值模拟;开挖方案优化

0 引言

在大跨度、大断面隧道开挖过程中，通常采用台阶法或者分部开挖法这两种方法及由其演变的开挖方法[1-2]。当隧道采用分部开挖法，虽可有效缩短隧道开挖掌子面暴露时间，对围岩变形的限制有良好的效果，然而不断反复加载、减载的临时荷载，会使围岩的应力、位移都发生巨大变化。因此在综合各种影响因素下，选取最适合本工程的大跨度、大断面隧道施工开挖方案，并对该施工开挖方案进行优化，以缩短建设周期和节省施工成本。

虽然国内外的科研、设计和施工单位都对大跨度、大断面隧道进行了很多的理论研究和现场实践，也获得了较多的科研结果[3-5]，但是对于大跨度、大断面隧道施工开挖方案的选择还有许多需要优化的地方。

1 依托工程概况及地质情况

1.1 隧道情况

隧道总长为1 392 m，净宽为14 m，拱高为7.15 m。该隧道为右线的单向两车道，设计车速为100 km/h。

1.2 地形地貌与地层岩性

拟建隧道通过构造剥蚀低中山-突出山脊及其侧向山丘，地形起伏较大。据地面调查及钻探揭露，场地出露地层有新生界第四系全新统人工填筑层（Q4 me）、崩坡积层（Q4 c+dl）、冲洪积层（Q4 al+pl）、下石炭统奇尔古思套群（C1qr）。

2 隧道开挖三维数值模拟分析

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS对隧道不同工法下的开挖过程进行三维数值模拟分析。

根据《公路隧道设计细则》[6]，以及本工程实际情况，在有限元模型中，采用Ⅴ级围岩，所用参数如表1所示。

本文计算模型纵向取160 m，横向取86 m，下部边界取距离洞底32 m高度，上部边界取至地表，如图1所示。

3 开挖方案优化

3.1 上下二台阶法不同方案比选

本文选取比较有代表意义的传统上下二台阶法、预留核心土台阶法、二台阶带仰拱开挖法和二台阶新四步开挖法，对四种上下二台阶法进行数值模拟分析和比选。

3.1.1 四种不同上下二台阶法有限元模型（见图2）

3.1.2 计算结果分析

如图3所示，在四种不同工法条件下的隧道拱顶沉降值中，最小的是二台阶带仰拱开挖法，为11.62 mm，其次是二台阶新四步开挖法，为11.90 mm，再次是传统二台阶法，为12.54 mm，最后是预留核心土台阶法，为13.16 mm。根据上下二台阶不同方案比选和分析，综合考虑工期、安全性等因素，决定对隧道采用二台阶新四步开挖法开挖方案。

3.2 二台阶新四步开挖法台阶高度优化

之前比选不同上下二台阶法时，均选取上下台阶分界在洞跨最宽处，距离拱顶7.15 m，占整个洞高7.15/10.52≈0.68 H。现对台阶高度进行优化，分别取台阶高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.7 H、0.75 H进行数值模拟计算，与之前的0.68 H共六組情况进行比选分析。

3.2.1 不同台阶高度有限元模型（见图4）

3.2.2 不同台阶高度二台阶新四步开挖法结果分析

根据竖向位移图5～7分析，主要选择0.6 H～0.7 H这个范围台阶高度;而在水平位移图8～9分析中，在确定的这个高度范围区间内，对水平位移控制最好的是0.7 H，其次是接近的0.68 H，再次是0.65 H。综合考虑隧道开挖后钢拱架架设的难易程度和受力情况以及工地现场对钢拱架加工的难易程度等因素，决定选取上下台阶在洞跨最宽分界处的0.68 H作为二台阶新四步开挖法的上台阶高度。

3.3 二台阶新四步开挖法台阶长度优化

对已选定采用0.68 H台阶高度的二台阶新四步开挖法进行台阶长度优化。在《公路隧道施工技术规范》6.2.2中，对台阶法中台阶长度进行了规定：台阶长度不宜超过隧道开挖宽度的1.5倍。本隧道最大开挖跨度为14 m，因此分别选取台阶长度为3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共计7组进行数值模拟分析。为使计算的差异全部是由于不同台阶长度导致的，所以除7组上下台阶长度不同外，其余变量皆相同。

3.3.1 不同台阶长度有限元模型（见图10）

3.3.2 不同台阶长度二台阶新四步开挖法结果分析

根据竖向位移图11～13分析，主要选择L=6 ～18 m这个范围台阶长度;而在水平位移图14～15分析中，为避免“波峰”的出现，尽量避免选择L=15 m、L=18 m、L=21 m较长台阶长度的开挖工法。竖向、水平位移分析范围取交集，便是L=6～12 m这个范围的台阶长度。综合考虑隧道开挖后为方便大型机械迅速出渣和初支台车入场架设钢拱架需要的作业空间，决定选取L=9～12 m这个范围台阶长度作为二台阶新四台阶长度。

4 结语

（1）由于上下二台阶法演变多样，选用具有代表性的四种不同的上下二台阶法进行数值模拟。通过对比隧道结构整体竖向位移、水平位移，综合考虑工期、安全性等因素，决定对乌尉隧道采用二台阶新四步开挖法。

（2）对二台阶新四步开挖法，分别取台阶高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.68 H、0.7 H、0.75 H六组不同台阶高度进行数值模拟，综合考虑隧道开挖后钢拱架架设的难易程度和受力情况以及工地现场对钢拱架加工的难易程度等因素，最终决定选取上下台阶在洞跨最宽分界处的0.68 H作为二台阶新四步开挖法上台阶高度。

（3）对二台阶新四步开挖法，分别取台阶长度3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共7组不同台阶长度进行数值模拟，综合考虑隧道开挖后为方便大型机械迅速出渣和初支台车入场架设钢拱架需要的作业空间，决定选取L=9～12 m这个范围台阶长度作为二台阶新四步开挖法台阶长度。

参考文献：

[1]EL-NAHHAS F，EL-KADI F，AHMED A.Interaction of tunnel linings and soft ground[J].Tunnelling & Underground Space Technology，1992，7（1）：33-43.

[2]LOW H Y，HAO H.Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading[J].Structural Safety，2001，23（2）：157-178.

[3]蒋树屏，胡学兵.云南扁平状大断面公路隧道施工力学响应数值模拟[J].岩土工程学报，2004，26（2）：178-182.

[4]孙 翔.四车道公路隧道的施工力学研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[5]宫成兵，张武祥，杨彦民.大断面单洞四车道公路隧道结构设计与施工方案探讨[C].中国土木工程学会年会，2004.

[6]JTG/TD70-2010，公路隧道设计细则[S].