文/連云港市交通工程建設(shè)處 潘偉華

連云港港口集團(tuán)有限公司 馮日利

在隧道建設(shè)過程中，CD法、CRD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等分部開挖工法是穿越軟弱破碎圍巖段的主要工法。在隧道分部開挖工法的實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)如何分部或分塊的施工優(yōu)先級(jí)別并沒有特別的規(guī)定，目前主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)由施工單位自行決定，僅有極少數(shù)關(guān)鍵工程或重要地段得到有效研究，選取較為理想的開挖順序施工。

隧道施工動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

在數(shù)值計(jì)算中，隧道斷面尺寸為寬15m，高10m，由4種不同半徑的7個(gè)圓弧組成。CD和CRD法均分為四個(gè)塊體，區(qū)別在于CD法沒有臨時(shí)橫撐，故只列出CRD法的尺寸及塊體劃分情況(如圖1)。

圖1 CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道尺寸及塊體劃分

隧道斷面由中線和中隔墻分為不同塊體，分別按①②③④⑤⑥命名（如圖1）。利用建模功能強(qiáng)大的ANSYS數(shù)值分析軟件建立三維計(jì)算模型，然后導(dǎo)入FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算，CRD法構(gòu)建的計(jì)算模型。

CD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的模型尺寸與CRD法一致，但隧道開挖部分劃分的塊體數(shù)量存在差異，相對(duì)應(yīng)的初次襯砌及錨桿作用區(qū)塊體大小也不相同。為減小邊界效應(yīng)的影響，左右及下邊界取7倍至10倍于隧道開挖直徑，遠(yuǎn)大于通常采用的3倍至5倍。模型整體尺寸為150m×100m×50m，其中隧道上覆巖層25m，為V級(jí)圍巖。

模型材料參數(shù)及施工順序

計(jì)算模型中，隧道圍巖假定為均質(zhì)各項(xiàng)同性材料，選取常用的彈塑性本構(gòu)模型、Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行非線性靜力分析，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)參照公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則V級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)選取，對(duì)錨桿加固的巖土體圍巖，按經(jīng)驗(yàn)采取提高其c、φ值來加以仿真模擬，其余材料均使用線彈性本構(gòu)關(guān)系。三種工法的圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

考慮到實(shí)際施工情況及對(duì)稱因素，隧道CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分別選取四種施工工序（如表2、表3）。

表1 隧道圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 CD/CRD法開挖順序種類劃分

表3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖順序種類劃分

利用建立的三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)CD及CRD法按表2中所列出的4中施工工序進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工模擬，每次開挖進(jìn)尺2.5m，等應(yīng)力重分布結(jié)束后通過改變材料參數(shù)激活臨時(shí)橫撐、中隔壁、初期襯砌及錨桿作用區(qū)域等支護(hù)措施。整個(gè)斷面共分為四步進(jìn)行開挖，10m錯(cuò)距，先行導(dǎo)坑最終推進(jìn)40m，開挖結(jié)束后拆除臨時(shí)支護(hù)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分為6個(gè)開挖塊體，為保證先行導(dǎo)坑最終開挖也為40m，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法錯(cuò)距設(shè)為5m。在模型開挖10m處設(shè)置監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)，分析其應(yīng)力、位移隨動(dòng)態(tài)施工步的變化規(guī)律及不同開挖工序隧道周圍塑性區(qū)的演化特征。圖2為CRD法模擬第一種開挖步序，即①、③、②、④。

圖2 CD/ CRD法隧道開挖塊體圖（第一種開挖順序）

圖3 CRD法不同開挖順序塑性破壞區(qū)分布圖

單一工法模擬結(jié)果分析

CRD工法

不同開挖順序塑性區(qū)

選取不同開挖順序開挖完畢，拆除中隔墻后形成的塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析（如圖3）。

采用不同的開挖順序最終形成的塑性區(qū)范圍是不同的，其中第一和第二開挖順序無法直觀的區(qū)分大小，第三種開挖工序明顯大于其三種，故按塑性區(qū)大小排列順序?yàn)椋旱谝环N=第二種<第四種<第三種。僅塑性區(qū)擴(kuò)展大小范圍可知，第一種開挖步序①③②④最合理，所產(chǎn)生的塑性區(qū)最小，而采用第四種②①④③的順序開挖隧道，所產(chǎn)生的塑性區(qū)最大。

隧道圍巖應(yīng)力分析

CRD法采用不同的施工工序開挖，對(duì)圍巖的擾動(dòng)是不同的。采用不同的開挖步序，圍巖最終所處的狀態(tài)也不相同。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，從應(yīng)力云圖和關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)兩個(gè)方面深入分析，以得到不同開挖工序的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。

應(yīng)力云圖無法通過量化數(shù)據(jù)對(duì)不同開挖工序進(jìn)行準(zhǔn)確排序，故不作為判定工序優(yōu)劣的指標(biāo)。隧道的開挖導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生卸載回彈和應(yīng)力重分布，應(yīng)力變化量越大則對(duì)越不利于圍巖穩(wěn)定。因此，整理出隧道各部位隨不同開挖順序顯現(xiàn)的應(yīng)力變化量最大值（如表4）。

表4 CRD法不同開挖順序隧道各部位主應(yīng)力及其差值絕對(duì)值

四種開挖方案應(yīng)力表現(xiàn)情況在隧道不同部位不一致，從各部位的應(yīng)力變化量方面整體考慮無法明確判定先行導(dǎo)坑①與先行導(dǎo)坑②哪個(gè)更適合CRD法施工。如果僅參考淺埋隧道施工災(zāi)害控制的重點(diǎn)位置—頂板的應(yīng)力變化量，可給出不同開挖工法的優(yōu)劣排序?yàn)榈谒姆N開挖方法>第二種開挖方法>第一種開挖方法>第三種開挖方法，即從應(yīng)力角度，第三種開挖順序最合理。

表5 CRD法不同開挖順序隧道各部位最終位移量值

隧道圍巖位移分析

與應(yīng)力相比，隧道開挖過程中的位移顯現(xiàn)情況是防止隧道失穩(wěn)更重要的指標(biāo)，尤其是作為淺埋隧道頂板的下沉量，更是控制隧道開挖變形量的重點(diǎn)。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，從隧道位移云圖和關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)位移數(shù)據(jù)兩個(gè)方面深入分析，以得到CRD法不同開挖工序的圍巖位移的演化規(guī)律。

位移云圖也無法通過量化數(shù)據(jù)來判定開挖順序的優(yōu)劣，不將其作為判定工序優(yōu)劣的指標(biāo)。與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析時(shí)的側(cè)重不同，對(duì)待位移數(shù)據(jù)，主要參考隧道不同部位隨開挖擾動(dòng)形成的最終位移量值（如表5）。選取同部位不同施工順序的位移量絕對(duì)值最大及最小值，兩者做比較，得出其百分比。

隧道不同部位的評(píng)價(jià)結(jié)果從整體上分析，第一種開挖順序是最合理的，若考慮頂板在淺埋隧道失穩(wěn)中的權(quán)重，第二種開挖工序最優(yōu)。將兩者結(jié)合起來，僅就位移量，可判定隧道CRD法不同開挖方案的合理性排序?yàn)榈谝环N、第二種、第四種、第三種。

隧道CRD法不同開挖方案合理性評(píng)價(jià)項(xiàng)目為塑性區(qū)、應(yīng)力和位移三方面，其中應(yīng)力與位移表現(xiàn)差別較大，如隧道底板部位，應(yīng)力變化量在四種方案中最大，位移量卻最小，分析是因存在支護(hù)措施，開挖后各導(dǎo)洞封閉成環(huán)，形成了有效的承壓結(jié)構(gòu)。另外，應(yīng)力與位移在淺埋隧道施工中權(quán)重也不同，最終位移量值更為重要，鑒于此情況，重點(diǎn)參考塑性區(qū)及位移量的評(píng)價(jià)結(jié)果，而塑性區(qū)的表現(xiàn)情況與位移的結(jié)果基本一致。綜上所述，隧道CRD法不同開挖方案以第一種最為合理，第二種次之，第四種較差，第三種開挖順序是所有方案中最不合理的。

CD工法

隧道CD法不同工序優(yōu)化比選方法與CRD法相同，從塑性區(qū)、應(yīng)力和位移這三方面入手進(jìn)行開挖順序合理性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)第一種仍為最優(yōu)的開挖方案，第二種次之，與CRD法不同，第四種開挖順序是所有方案中最不合理的。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

與上述CD和CRD工法不同施工順序分析方法類似，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法評(píng)價(jià)結(jié)果為第一種開挖順序、第四種開挖順序、第二種開挖順序、第三種開挖順序。即第一種施工工序在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中是合理的，而第三種開挖方案最不合理。

不同工法模擬結(jié)果對(duì)比

圖4 CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法塑性破壞區(qū)分布圖

選取CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最優(yōu)的開挖順序參與不同工法之間的對(duì)比分析，即三種工法的第一種開挖順序。應(yīng)力及位移云圖因無法通過量化數(shù)據(jù)來判別工法優(yōu)劣，且無明顯不同，故不作為工法對(duì)比的項(xiàng)目，僅從塑性區(qū)、應(yīng)力、位移三方面探討工法之間的優(yōu)劣，找出其差別點(diǎn)及異化程度。

隧道圍巖塑性區(qū)分析

選取CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖完畢、拆除中隔墻后形成的塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析（如圖4）。

對(duì)比三種開挖工法最優(yōu)工序所形成的塑性區(qū)域，發(fā)現(xiàn)隧道不同工法開挖最終形成的塑性區(qū)范圍差別很大，CD法塑性區(qū)域最大，CRD法次之，以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)最小。

隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律分析

選擇隧道同一部位而采用不同開挖工法計(jì)算得到的3組數(shù)據(jù)組成一幅應(yīng)力曲線圖，進(jìn)行對(duì)比分析，共繪制隧道頂板、左右邊墻及底板的應(yīng)力變化曲線（如圖5）。CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法均為巖體自重加載，因模型大小一致，從應(yīng)力曲線中可看出初始應(yīng)力值相同，符合實(shí)際。隧道不同工法各部位的應(yīng)力波動(dòng)并沒有統(tǒng)一的規(guī)律性，頂板位置在開挖初期應(yīng)力變化較平緩，先行導(dǎo)坑掘進(jìn)20m后，應(yīng)力開始劇烈波動(dòng)，而左邊墻在開挖距離超過10m后，應(yīng)力即出現(xiàn)突增或突減的趨勢(shì)。

圖5 CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法應(yīng)力變化曲線

為對(duì)比不同開挖工法的優(yōu)劣，只能采用量化數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，與分析CRD法不同工序合理性類似，同樣選取CD、CRD及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不同部位主應(yīng)力及應(yīng)力變化量對(duì)各開挖工法定量評(píng)價(jià)。不同部位差別較大，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法頂板和底板位置，工法比較結(jié)果恰好相反，無法準(zhǔn)確判定那一種工法最優(yōu)，故僅考慮對(duì)淺埋隧道影響最大的頂板應(yīng)力變化量最為隧道工法評(píng)比的項(xiàng)目，判定CD法在應(yīng)力表現(xiàn)上是最合理的開挖工法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最差。