隧道大跨段施工围岩变形及受力特征分析★

赵登科

(中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

0 引言

近年来，随着隧道建设标准的提高，复杂地质环境下大跨度隧道的合理施工方法越来越受到重视[1-5]。No等[6]、Sadaghiani和Dadizadeh[7]、Sharifzadeh等[8]、Bao等[9]、Boonyarak和Ng[10]以及Yoo和Choi[11]通过现场试验、离心试验和数值模拟研究了不同开挖方法和开挖顺序对隧道变形、结构应力和施工安全的影响。

众多学者对隧道开挖方法的优选开展了研究，并取得了丰硕成果，不同开挖方法条件下，围岩的变形和支护结构受力特征会有不同。通常情况下，围岩的变形表现为：双侧壁导洞法<交叉中隔墙法(CRD法)<预留核心土三台阶法[12-14]。对于支护结构受力来说，预留核心土三台阶法开挖后边墙受力较均匀，双侧壁导洞法和中隔墙法(CD法)均采用了临时支护结构，限制了围岩应力释放，因此支护结构受力较大[15-17]。另外，双侧壁导洞法能更有效控制围岩塑性区发展，有效改善围岩受力状态，使得围岩主要受压应力作用。隧道围岩稳定性除受开挖方法的影响外，与开挖里程也密切相关，拱顶在施作支护结构后，随着开挖的继续，仍会发生较大的残余沉降[18-20]。

在大跨段隧道施工中，结合工程的地质条件及相关沉降控制标准，大多采用双侧壁导坑法、中隔壁或交叉中隔壁法、台阶法、全断面法以及不同方法的组合。本文以樵坪山隧道工程为研究对象，采用有限单元法件对樵坪山隧道大跨段处开挖过程进行了数值模拟研究，比较分析了CD法和双侧壁导坑法对隧洞围岩变形、应力的影响以及支护结构受力特征，旨在对施工过程进行优化。

1 工程概况

樵坪山隧道位于重庆市巴南区南泉镇境内，为正线上的双线隧道，中心里程DK43+416，最大埋深340 m，全长7 568 m。隧道区域属低山地貌，海拔标高在325 m～650 m范围，相对高差介于60 m～220 m之间，大致沿北东-南西呈弯道穿越樵坪山。基岩为沙溪庙组泥岩夹砂岩，泥岩岩质较软，岩体较完整；属弱富水岩组，富水性差，基本不含水或含少量裂隙水，砂岩渗、透水性较好，含有少量裂隙水，预测最大涌水量7 326.8 m3/d，地下水无侵蚀性。大跨段落地质为Ⅳ级围岩，岩体以泥岩、砂岩为主，岩层呈缓倾，无水或少量基岩裂隙水。岩体整体稳定性较好，无不良特殊地质。

2 数值模拟方法

2.1 施工方案简述

CD法开挖工序横、纵断面如图1所示。

双侧壁导坑法利用两个中隔壁将整个隧道大断面分成左中右3个断面施工，左、右导洞先行，中间断面紧跟其后；初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，形成全断面。两侧导洞为倒鹅蛋形，有利于控制拱顶下沉。双侧壁导坑法开挖工序横、纵断面如图2所示。

2.2 计算模型及边界条件

本次数值模拟计算的主要目的是获取隧道开挖、支护完毕后围岩应力、变形及支护结构受力特征。计算范围尽可能的包含开挖影响区域，考虑到尺寸效应对计算误差的影响以及计算效率，计算范围及边界条件选取如下:

1)几何模型：隧道埋深200 m，模拟区域宽24.53 m，高16.13 m，属于大断面隧道。模拟采用地层结构法，上下、左右模拟范围分别按3倍～5倍隧道的洞高和洞径进行确定，横向和竖向分别为180 m和120 m；为了减小前后边界约束对所布置的监测面(模型纵向10 m处和25 m处断面)的影响，纵向范围设为50 m，具体见图3。

2)边界条件：前后、左右边界均采用法向位移约束，下边界采用三向位移约束，上边界采用自由面约束。在模型内施加自重荷载，在上边界施加与边界以上岩层厚度等效的均布荷载来模拟深埋隧道的初始地应力。

2.3 数值模拟参数选取

围岩本构关系选择摩尔-库仑准则，采用3D实体单元进行模拟；锚杆材料为钢材，主要承受轴向拉力，本构关系选择线弹性模型，采用桁架单元开展模拟；为了简化模型，模拟时将初期支护的喷射混凝土及钢拱架联系在一起，选择线弹性本构关系，采用板单元开展模拟。在初支抗弯能力等效的基础上，为了使抗压能力也尽量等效，对材料参数和板的厚度采用式(1)，式(2)进行折算；临时竖撑的主要作用是承受压力和弯矩，本构关系选取线弹性模型，采用梁单元开展模拟。

E钢I钢+E混I混=E折I折

(1)

E钢A钢+E混A混=E折A折

(2)

依据工程实际拟定数值模拟围岩及各结构的材料参数如表1所示。

表1 数值模拟围岩及各结构的材料参数

2.4 开挖步序模拟

实际施工中CD法和双侧壁导坑法开挖进尺为每一步开挖0.5 m～1 m，模型为考虑开挖的最不利情况设为每一步开挖1 m的进尺；模型纵向共50 m，计算初始地应力，待位移清零后，采用合理的荷载释放系数对后续施工阶段进行模拟。荷载释放系数在《公路隧道设计细则》中的地层-结构计算方法推荐值的基础上，结合工程经验进行选取。基于本次隧道开挖工法实际情况，本次模拟中荷载释放系数值选取为围岩及初支共承担85%，分步释放。

3 分析与讨论

3.1 围岩竖向位移

为了减小开挖过程中模型边界对监测点产生影响，将模型的10 m断面处设置为竖向位移监测断面。图4为分别采用CD法和双侧壁导坑法开挖、支护完毕后的该断面的围岩竖向位移云图。CD法的断面拱顶最大沉降为75.347 9 mm，最大上鼓为66.272 6 mm。双侧壁导坑法的拱顶最大沉降为32.255 7 mm，最大上鼓为34.368 9 mm，分别比CD法低了57%和48%。

计算过程，在两种开挖工法的模型中均设置了拱顶沉降监测点(见图5)，为更直观的反映开挖过程中围岩的竖向位移，将监测点布于全模型的第10 m断面，T通过对采集的数据进行分析和整理，绘制得到拱顶沉降随开挖进尺的变化(见图6)。

从图6可以看出，随着开挖进尺的推进，拱部沉降逐渐增加。随着进一步开挖，当开挖进尺推进到一定程度，大约50 m，拱部沉降均趋于稳定，其中拱顶最大，CD法约稳定在67 mm，双侧壁导坑法约稳定在32 mm。由此可知：双侧壁导坑法开挖工法情况下的围岩拱顶沉降要远小于CD法开挖工法下的拱顶沉降，因此施工中采用双侧壁导坑法更安全。

3.2 围岩应力分析

图7,图8分别为模型25 m断面在CD法和双侧壁导坑法开挖支护完毕后的围岩主应力云图。由图7，图8可知，CD法主应力的最大值分别为3.727 6 MPa和0.571 6 MPa，其围岩强度应力比为2，存在较大失稳风险。双侧壁导坑法主应力的最大值分别为2.389 0 MPa和1.328 5 MPa，其围岩强度应力比约为3.5，失稳风险大大降低，围岩较稳定。因此，双侧壁导坑法相较于CD法围岩稳定性更好。

3.3 支护结构分析

1)锚杆内力分析。

分别以两模型25 m断面处的锚杆内力随开挖过程的变化分析其受力情况。图9为CD法和双侧壁导坑法开挖完成后锚杆的轴向拉应力云图。从图9可看出，开挖完成后，双侧壁导坑法的锚杆拉应力最大值为136.736 MPa，CD法的锚杆拉应力最大值158.582 MPa。图10为开挖过程锚杆拉应力随开挖过程的变化折线图。从图10可看出，在不同开挖工法情况下，随着开挖部数的增加，锚杆最大拉应力有不断增大的趋势，其原因是分部开挖使断面跨度骤增，顶部围岩的应力再一次重分布，锚杆需分担更多的力。在分部开挖的各阶段，双侧壁导坑法的锚杆拉应力均小于CD法，因此从安全角度考虑，施工中采用双侧壁导坑法开挖优于CD法。

2)初支内力分析。

以模型25 m～26 m处的初支内力随开挖过程的变化分析其受力情况。重点关注25 m～26 m段的初支在CD法和双侧壁导坑法开挖完成后的大主应力图，如图11所示。两工法的最大值多集中于拱腰、临时竖撑与初支接触位置附近。开挖完成后CD法初支的最大主应力为6.277 35 MPa；双侧壁导坑法初支的最大主应力为5.846 88 MPa。依据《公路隧道设计细则》得C25喷射混凝土的抗压强度极限值取19 MPa，且不同开挖工法下的初支的强度应力比均大于规范规定的2.0，因此两种工法的轴向抗压均能满足规范要求，但从初支的最大主应力来看，双侧壁导坑法更有利于安全施工和隧道围岩的稳定性。

3)临时竖撑分析。

图12为开挖至全模型35 m时已激活的竖撑的轴向应力云图，CD法与双侧壁导坑法的最大压应力分别为202.201 MPa和181.465 MPa，与HPB300钢材的强度应力比分别为2.1和2.3，均大于安全系数2.0。虽然两种工法都可以满足规范规定的安全系数要求，但双侧壁导坑法的安全系数比CD法稍高，拥有更多的安全储备，且力的集中程度较低，从受力的角度来看，对隧道结构部分更有利。因此双侧壁导坑法在临时支撑的受力方面比起CD法更稍有优势。

4 结语

通过对樵坪山隧道大跨段处不同开挖工法的数值模拟，得出如下结论：

1)在控制围岩变形方面：双侧壁导坑法的拱部沉降低于CD法，最后稳定在35 mm左右，因此在控制围岩变形方面，双侧壁导坑法稍有优势。

2)在围岩竖向位移分析中，对于拱顶最大沉降和最大上鼓，双侧壁导坑法比CD法分别低57%和48%。因此双侧壁导坑法在竖向位移控制上优于CD法。

3)在隧道支护结构(锚杆、初支、临时支撑)受力方面：双侧壁导坑法的锚杆拉应力、初支的最大主应力和临时支撑最大压应力均低于CD法，且双侧壁导坑法具有更高的安全系数，因此在结构受力方面，双侧壁导坑法优于CD法。

4)考虑到施工中的不确定因素和诸多安全问题，即使两种工法在数值模拟中初支轴向抗压、安全系数均能满足隧道设计规范要求，但双侧壁导坑法在安全性上稍优。