复杂地质情况下浅埋大跨度连拱隧道施工工法计算分析

陈少兵

（创辉达设计股份有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

目前城市山岭隧道遵循的规范有《城市地下道路工程设计规范》（CJJ 221-2015）、《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）及《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）。而针对隧道施工工法设计的规定最详细的为《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010），细则也仅针对三车道及以下车道隧道的施工工法设计进行规定。双洞六车道+两侧3m慢行道大跨度连拱隧道相比较于一般双洞六车道连拱隧道，结构更复杂，施工风险难度更大。为保证施工过程的人生及财产安全，选取经济合理、可行的是施工工法是大跨度连拱隧道建设发展的需要。

1 工程概况

畈中路一期（赶山路至临湖路）项目设计标准为城市主干道，时速40km/h，其中来米坡隧道起讫桩号为K1+675～K1+950，隧道长275m。隧道单洞建筑限界15.75m=0.75m（左侧检修道宽度）+0.25m（左侧侧向宽度）+3.5m（车行道宽度）×2+3.75m（车行道宽度）+0.25m（右侧侧向宽度）+3.0m（人行道宽度），单洞内轮廓宽度为16.41m。隧道规划预留红线宽度为50m，由于受一级保护山体影响，设计采用双连拱布置形式，整体开挖宽度达38.34m，高度达12.57m，其中复合式中隔墙宽度3.2m[1]。

场内地形地貌较简单，地质环境未受破坏，场内发育F1、F2断层及小型褶皱，但无新构造运动的迹象；区内岩性种类不多，主要为强风化炭质硅质板岩和冰碛砾泥岩。区内无不良地质现象，水文地质条件较简单。隧道围岩等级均为V级，埋深最大处为44m。

2 施工工法数值模拟

2.1 计算模型

计算模型范围选取为：上部取至地表，下部取至隧道仰拱以下70m。左右各取50m。隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，前方和后方均有垂直其面的约束。具体如图1所示。

图1

计算中，用8节点6面体实体单元模拟围岩、二次衬砌、中墙，初期支护采用梁单元模拟。锚杆采用植入式行架模拟。喷射混凝土刚度采用按喷混+工字钢界面剂等效刚度，强度校核时，轴力由钢拱架和喷射混凝土共同承担，弯矩仅有钢拱架承担。钢筋网、超前支护及注浆等均作为冗余安全考虑，不计入模型参数。

表1 复合式衬砌参数表

本次计算根据《来米坡隧道工程地质详勘报告》及《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）对围岩及不同标号混凝土的物理力学参数取值。详见下表。

表2 有限元分析材料参数表

2.2 施工步序

《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）对大跨度（指三车道隧道）V级围岩隧道施工推荐采用分部开挖法，如单侧壁导坑法（CD法）、双侧壁导坑法（DCD法）及CRD法。其中DCD法适用于：隧道跨度相对较大、地表沉陷要求严格、围岩条件特别差、CD法难以控制围岩变形的地段；CRD法适用于：大跨度或特大跨度隧道断面，特别是软弱围岩施工和受力不均的隧道。来米坡隧道围岩均为V级，单洞开挖跨度达到18.43m，CD法已难达到结构变形及施工安全的要求。DCD每个导坑在不施作临时仰拱的情况下，临时支撑工程量与CRD法相当，故本次主要针对造价接近的DCD法（不设临时仰拱）与CRD法进行比较分析[2-3]。

（1）DCD法施工步序。

图2 DCD法施工步序图

具体步骤为：

①中导洞开挖支护及中隔墙浇筑→②左洞左导洞上、下台阶开挖支护→③右洞右导洞上、下台阶开挖支护→④左洞右导洞上、下台阶开挖支护→⑤右洞左导洞上、下台阶开挖支护→⑥左洞中部上、下台阶开挖支护→⑦左洞临支拆除、浇筑仰拱二衬及模筑拱墙二衬→⑧右洞中部上、下台阶→⑨右洞临支拆除、浇筑仰拱二衬及模筑拱墙二衬。

（2）CRD法施工步序。

图3 CRD法施工步序图

具体步骤为：

①中导洞开挖支护及中隔墙浇筑→②左洞左导洞上台阶开挖支护→③左洞左导洞下台阶开挖支护→④右洞右导洞上台阶开挖支护→⑤右洞右导洞下台阶开挖支护→⑥左洞右导洞上台阶开挖支护→⑦左洞右导洞下台阶开挖及支护→⑧右洞左导洞上台阶开挖支护→⑨右洞左导洞下台阶开挖支护→⑩临支拆除，一次浇筑仰拱混凝土，模筑二衬混凝土。

2.3 计算结果分析

隧道的施工开挖方法设计时隧道支护结构设计及施工过程中动态设计的重要不符。不同的施工方法及施工顺序下，隧道结构与围岩的受力影响不尽相同，主要表现出隧道支护结构内力与围岩应力大小以及位移大小的不同[4-5]。

（1）初期支护结构内力。

图4 DCD法单元弯矩图

图5 CRD法单元弯矩图

从图中可看出，在DCD法及CRD法工况下，初期支护结构内力不尽相同，具体结果比较分析如下表。

表3 初期支护安全系数计算表

分别对初期支护拱顶、内拱腰、外拱腰三个代表位置进行结构安全系数计算，其结果表明：DCD法施工，结构轴力值明显小于CRD法施工；两者弯矩差值较小；DCD法安全系数高于CRD法。

（2）围岩应力。

图6 DCD法最大主应力

图7 CRD法最大主应力

从图中可以看出：最大主应力值均出现在中隔墙底；采用DCD法施工隧道最大主应力1.7mpa；而采用CRD法施工隧道最大主应力3.0mpa。

（3）位移。

图8 DCD法竖向位移

图9 CRD法竖向位移

表4 位移结果比较表

从表中可以看出：不同施工工法下，CRD法竖向位移值基本达到DCD法竖向位移值的2倍；水平位移CRD法位移值也均高出DCD法的50%。

3 结语

通过对来米坡大断面连拱隧道进行有限元分析计算，复杂地质情况下浅埋大跨度连拱隧道主洞采用DCD法施工，DCD法将隧道分成更多更小的各个导坑，每个导坑开挖断面缩小，初期支护能及时闭合。支护结构内力、围岩应力及位移等各方面均优于CRD法。适用于在复杂地质情况下、特大断面隧或对沉降要求严格的隧道施工。