大跨度变断面隧道施工过程力学特性及优化研究

舒金会

(中铁十四局集团第三工程有限公司 山东济南 250300)

1 引言

随着隧道工程实践经验积累和计算机技术不断进步，隧道开挖支护技术有了长足进步和提高。同时由于地形地质等因素影响，分合修段、分岔段的山岭隧道设计频频出现[1]。对于超大直径变断面山岭隧道，根据工程地质条件，结合相应的施工需求，采取合适的开挖工法和施工工序，以及选取合理支护参数对隧道安全性及经济性尤为重要，而最大断面开挖面积超过400 m2、最大开挖净跨度30 m的山岭隧道较为罕见[2-3]。因此对于分叉段超大断面山岭隧道开挖支护结构进行系统性研究和设计，具有很强的工程实践意义。

近些年来，随着超大直径变断面隧道的兴起，国内外众多学者对其施工安全及稳定性进行了大量研究。周丁恒等[4]详细阐述四车道特大断面大跨度隧道施工过程中支护体系应力现场监测方法及手段。马永峰等[5]对浅埋大断面大跨度连拱隧道施工变形进行现场监测并分析隧道施工全过程及在不同开挖工序下的变形特点。段杰[6]通过大瑶山隧道施工，详细介绍了隧道里程长、断面大条件下的施工方法。官嘉[7]依托某超大断面隧道工程变截面段施工进行分析，总结了变截面施工难点与技术要点。

本文在前人基础上借助有限差分软件FLAC3D对大跨度变断面隧道开挖支护过程进行三维数值模拟，总结关键断面应变变化规律，分析隧道在施工过程中的变形机理，并提出相应的工序优化方案。

2 工程概况及计算模型

2.1 工程概况

研究以厦门疏港通道工程分岔段为背景，主洞隧道与匝道隧道平交口分岔段由主线3车道隧道逐渐加宽到“3＋2”车道，断面轮廓宽度由14.45 m(3车道)→16.2 m(FC1)→18.7 m(FC2)→21.45 mm(FC3)→24.95 m(FC4)→28.05 m(FC5)逐步扩大，最大断面轮廓30.51 m，最大断面开挖面积421.73 m2，隧道埋深约100 m。

2.2 模型建立

为分析开挖过程中最不利位置，本次模拟以分岔最大断面处为基础构建三维地质计算模型。在建模隧道左右边界和下边界取隧道边线加3～5倍开挖直径的原则下[8-9]，充分考虑工程水文地质条件和支护结构影响建立模型。模拟段由弹性力学原理确定的模型边界为326×210×215 m，除上表面外，其他表面设置法向约束。本模型采用四面体与六面体网格，共生成104 260个单元与65 885个节点，力学模型选用摩尔-库伦模型。

2.3 参数选取

根据钻孔勘探数据，经简化将岩体以地表以下50 m分为两层，计算参数如表1所示。

二次衬砌钢支撑与喷射混凝土两种支护材料按刚度等效方法等效为一定厚度的shell单元[10]，计算公式:

式中:E为刚度等效后对应shell单元的模量；E1为衬砌喷射混凝土模量；E2为对应钢支撑模量；I为等效后结构单元整体抗弯惯性矩；I1为混凝土抗弯惯性矩；I2为钢支撑抗弯惯性矩。

初期支护施工过程中的系统锚杆及加固体采用围岩等效方式考虑[11]。加固区域等效为系统锚杆支护区域，参数计算公式:

式中:D为系统锚杆直径；c′0为锚杆-围岩复合体初始黏聚力；σs为系统锚杆抗拉强度；c0和φ0分别为所加固岩体初始黏聚力与内摩擦角；sa和sc为系统锚杆轴向间距与环向间距。

式中:σ′c和φ′0分别为锚杆围岩联合加固体初始抗压强度及内摩擦角；σc为围周岩体初始抗压强度；σ′c与σc的比值取 1.16[12]。

3 施工过程力学特性

3.1 计算思路

优化前后隧道开挖顺序及方向如图1所示，按①～⑧开挖工序对隧道进行开挖，①～④大断面处采用双侧壁导坑法分部开挖，⑤～⑧小净距处采用台阶法开挖。

图1 开挖顺序及关键截面

在整个区域取1-1～8-8多个断面，每个断面取拱底、拱顶、两侧4个点进行监测。

3.2 模拟结果

根据计算过程，可得到开挖段①、②所对应监测断面1～4的拱顶沉降、拱底隆起和左右侧位移随各施工步变化情况，如图2所示。

图2 开挖段①与②监测断面位移变化曲线

由图2所知，4个断面的拱顶沉降与拱底隆起值先缓慢下降，开挖进行到对应断面附近位移急剧下降随后再缓慢降低。究其原因为所选取截面均处于每道工序的中间部分，在未开挖到所选断面时，断面上各点位移变化都很小；而开挖到断面附近时，各点位移会发生急剧变化，之后趋于平稳。并且，随着所选取断面面积增大，拱顶最大沉降和拱底最大隆起值也有增大趋势。

开挖段③、④所对应监测断面位移随各施工步变化情况如图3所示。

图3 开挖段③与④监测断面位移变化曲线

由断面5和断面7曲线可知，开挖段③、④的中段断面位移与已开挖断面变化规律基本相同，而断面6和断面8变化曲线差异较大。其拱顶沉降位移曲线和拱底隆起位移曲线大致对称，当开挖步为30～35时(工段③后半部分，即断面6大断面方向)，其拱顶沉降位移和拱底隆起位移分别出现急剧下降和上升，但相较于断面1～4其变化要小很多；开挖步为35～60时，位移曲线缓慢变化；在开挖步达60、65步左右时(即开挖至工段⑤和工段⑥的前半部分)，曲线再次出现较小幅度急剧变化，经3次急剧位移变化后，拱顶位移曲线和拱底隆起曲线最后呈现缓慢下降和上升趋势。开挖完成后位移与应力云图如图4所示。

图4 开挖完成位移及应力云图

4 施工工序优化

结合工程实际情况，对工程施工工序进行优化，优化工序见图1。

开挖段①所对应的监测断面1、2拱顶沉降、拱底隆起和左右侧位移随各施工步变化对比如图5所示。

图5 开挖段①监测点位移变化对比

对于开挖段①监测断面1、2，由于施工工法未进行修改，其拱顶沉降和拱底隆起变化趋势基本一致。而监测断面左右侧位移变化则稍有不同，这是因为右洞大断面隧道开挖顺序改变所致。综上，开挖段①所选监测断面位移没有发生太大变化，趋于稳定后数值和优化前保持基本一致。开挖段②所对应监测断面3、4位移随各施工步变化情况如图6所示。

图6 开挖段②监测点位移变化对比

曲线呈现明显不同变化趋势的断面为断面4，拱顶沉降和拱底位移不再发生急剧变化，而是分为两段且表现为较小幅度变化，但拱顶沉降和拱底隆起值与优化前大体一致，这是由于断面4前后开挖步具有一定时间间隔所致，这也说明工序优化后隧道变形过程调整为分段变形过程，从而降低每一次变形的位移值，以保证施工安全。

开挖段⑤具有超大直径、变断面、连接分岔路段等特点，所对应监测断面5、6拱顶沉降和拱底隆起随各施工步变化情况如图7所示。

图7 开挖段⑤监测点位移变化对比

断面6位于大断面隧道和两段分岔小断面隧道交界处，拱顶沉降和拱底隆起变化在工序优化后有很大改变，原断面6拱顶沉降位移曲线包含1段总量较大的急剧下降区段和2段总量较小的急剧下降区段，其余开挖步区段均缓慢下降。由于大断面开挖拱顶发生急剧下降且量值较大，在两条分岔小断面隧道开挖时分别出现两次较小幅度急剧下降；工序优化后，将两条分岔小断面开挖调整在大断面开挖之前，拱顶先发生两段总量较小的急剧下降，然后再发生1段总量较大的急剧下降，其沉降总量随之降低。

与断面5不同，断面6左右侧水平位移变化曲线差异显著，优化后断面6左右侧水平位移，在相邻右洞分岔小断面(工段⑦)施工时，所受影响明显减小，甚至可以忽略，证明工序优化大幅降低了隧道变断面部分的变形。优化后整体位移及应力云图如图8所示。

图8 工序优化后位移及应力云图

5 结论

本文依托厦门海沧疏港隧道工程运用有限差分程序FLAC3D模拟隧道分步开挖支护过程，对隧道变形机理进行分析，并对开挖工法进行优化。

(1)应用FLAC3D软件模拟隧道开挖过程，钢支撑和喷射混凝土支护可按刚度等效法采用shell单元进行计算，而锚杆可采用围岩等效加固方式考虑。

(2)隧道各监测断面拱顶和拱底位移相较于两侧水平位移大得多，断面位移变形主要在工程开挖至监测断面时产生，且隧道变形一定程度上出现滞后效应。

(3)对于分段开挖的隧道，可以考虑双向开挖方法，既可以提高施工效率，也能在一定程度上减少隧道变形和对岩土体的扰动。