李長明

（中鐵十八局國際有限公司，天津 300000）

交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)直接關(guān)系到國家的經(jīng)濟發(fā)展，因此各國都在積極開展交通建設(shè)。隧道因具有便利通行、節(jié)約時間等優(yōu)點，在我國獲得大力發(fā)展。然而我國地質(zhì)條件復(fù)雜，因此對隧道設(shè)計與施工的探討變得十分必要和迫切。

選擇合適的施工工法對隧道施工安全起至關(guān)重要的作用。眾多學(xué)者通過數(shù)值法、理論法、試驗法等對隧道施工問題展開了研究。李剛[1]以某大跨度隧道為研究對象，通過ABAUQS 有限元軟件建立三維模型分析了隧道施工全過程，研究了不同斷面隧道開挖中圍巖的受力變形規(guī)律。戚玉亮等[2]基于某大斷面淺埋暗挖海底隧道工程，利用數(shù)值模擬手段分析了采用CRD 法施工隧道圍巖的變形和受力情況，以及CRD 法施工的合理工序。陳林杰等[3]以超大斷面地鐵車站隧道為工程背景，通過PLAXIS 3D 有限元軟件建立數(shù)值模型，對比CRD 法和臺階法施工的圍壓變形和應(yīng)力以確定合適的施工工法。李鵬飛等[4]通過理論法獲得隧道圍巖壓力的解析解，并對比分析不同圍巖參數(shù)和支護參數(shù)以確定該解析解的適用范圍。于麗等[5]針對淺埋黃土隧道工程，利用理論法研究了隧道圍巖壓力計算方法。李鵬飛等[6]通過對高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道施工現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了隧道施工中初期支護結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律，以位移和應(yīng)力為指標分析了各施工工序的影響。鄧偉等[7]以某大斷面隧道為例，通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型分析了大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程，獲得了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法過程下的隧道圍巖的變形規(guī)律和力學(xué)特性。

本文基于某淺埋暗挖公路隧道工程，利用有限元軟件建立隧道施工模型，分析不同施工工法下隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的受力變形，以獲得該工程最合理的施工工法。

1 工程概況

某公路隧道起訖里程DK78+464～DK8+253，線路經(jīng)過山區(qū)，兩側(cè)地勢差異較大，山間谷地發(fā)育，局部有丘陵及河流階地分布。山體受斷裂及褶皺構(gòu)造的制約，大多呈北東走向，地形較陡峻，地面標高200～700 m。地表大多植被茂密，除人工開挖外，基巖裸露地表少見，部分地段水土流失嚴重。沿線河流與山脈的延伸方向受構(gòu)造線控制，并與構(gòu)造線走向基本一致；河谷形態(tài)多為“V”型。

沿線地層出露較為復(fù)雜，一般上部為素填土、黏性土、粉土類、網(wǎng)紋狀、蠕蟲狀黏土等，下部為砂礫層、卵礫石層等，其中河流漫灘、谷地區(qū)等積水低洼地帶含淤泥、淤泥質(zhì)黏性土等，第四系地層厚度5～30 m 不等，最大厚度達50 m。下覆地層巖性一般為砂質(zhì)泥巖、頁巖、砂巖、礫巖、砂礫巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、板巖、千枚巖、凝灰?guī)r、變質(zhì)砂巖等，并發(fā)生區(qū)域變質(zhì)作用。

2 三維有限元模型

2.1 有限元模型

根據(jù)工程實際，建立160 m(寬)×60 m(縱深)×90 m(高)的模型（見圖1）。隧道橫截面為單拱大斷面，寬25.8 m，高19.5 m，隧道拱頂距地表12.5 m。在建模中未設(shè)置地下水，初始應(yīng)力場即為自重應(yīng)力場，在模擬隧道開挖形成的真實應(yīng)力場時選用Null 模型。隧道周邊圍巖假設(shè)為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，用8 節(jié)點6 面體單元模擬，本模型為摩爾-庫倫。初襯結(jié)構(gòu)用Shell 單元模擬，鋼拱架用Beam 單元模擬，錨桿用Cable 單元模擬，其余部分用實體單元模擬。

圖1 模型整體

2.2 模型參數(shù)選取

依據(jù)現(xiàn)場勘察資料，可知巖土體的物理力學(xué)參數(shù)（見表1）。

表1 土體參數(shù)

依據(jù)隧道設(shè)計方案，隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。其中初襯混凝土等級為C25，二次襯砌混凝土等級為C40，鋼支撐選用工字鋼。

表2 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 不同施工方法模擬過程

2.3.1 三臺階法開挖模擬

以三臺階法開挖隧道需將隧道橫斷面由上至下分三個臺階依次開挖，以此循環(huán)。開挖進尺均為2 m，臺階長度為4 m。每次開挖完成后實施初期支護，下臺階掘進16 m 后進行二次襯砌，單次施工二次襯砌長度為4 m（三臺階法模擬見圖2）。

圖2 三臺階法

2.3.2 CRD 法開挖模擬

CRD 法開挖隧道時，將隧道橫斷面分為左右兩部分，各部分從上至下又分為3 個臺階。先從上至下開挖左側(cè)3 個臺階，隨后同樣方式開挖右側(cè)。每次開挖進尺均為2 m，臺階長度均為4m。每次開挖完成后實施初期支護，右側(cè)下臺階掘進16 m后進行二次襯砌，單次施工二次襯砌長度為4 m。CRD 法模擬如圖3 所示。

圖3 CRD 法

2.3.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道時，將隧道橫斷面從左到右依次分為：左導(dǎo)坑、中間核心土和右導(dǎo)坑，再將每部分從上至下分為上中下三部分。首先依次開挖左導(dǎo)坑上中下三部分，接著同樣方式開挖右導(dǎo)坑及中間導(dǎo)坑。開挖進尺均為2 m，臺階長度為4 m。每次開挖完成后實施初期支護，右導(dǎo)坑最下部分掘進16 m 后進行二次襯砌，單次施工二次襯砌長度為4 m。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬如圖4 所示。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 三臺階法結(jié)果分析

3.1.1 圍巖位移

截取三臺階法施工下隧道正中間剖面豎向和水平位移云圖（見圖5），并給出相應(yīng)隧道圍巖位移表（見表3），可見：隧道豎向位移峰值發(fā)生在隧道拱頂處，水平位移峰值發(fā)生在兩側(cè)邊墻處。隨著施工推進其周邊圍巖位移逐漸持續(xù)增大。隧道拱頂?shù)淖罱K豎向位移為-21.2 mm，隧道邊墻的水平位移呈對稱狀態(tài)且最終水平位移為9.2 mm。

表3 三臺階法施工隧道圍巖位移

圖5 隧道正中間剖面的豎向和水平位移

3.1.2 鋼拱架受力

由隧道開挖完成后鋼拱架的應(yīng)力云圖（圖6）可知，由于模型的對稱性，鋼拱架的應(yīng)力左右兩側(cè)呈對稱分布，且沿著拱腳到墻角方向逐漸變大。應(yīng)力較大值主要發(fā)生在隧道拱腰和拱頂位置，其中鋼拱架應(yīng)力峰值發(fā)生在兩側(cè)拱腰位置，約為62.2 MPa，低于鋼拱架鋼材本身的抗壓強度，鋼拱架整體處于安全狀態(tài)。

圖6 隧道開挖完成后鋼拱架應(yīng)力

3.1.3 初襯混凝土最大主應(yīng)力

由隧道開挖完成后初襯混凝土的最大主應(yīng)力云圖（圖7）可知，初襯混凝土的最大主應(yīng)力為正，處于受拉狀態(tài)，且最大主應(yīng)力沿著拱頂向拱腳呈現(xiàn)先變小后增大的狀態(tài)。由于對稱性，最大主應(yīng)力同樣左右對稱，隧道仰拱和拱頂處的最大主應(yīng)力比較大，原因為該處變形量比較大。根據(jù)工程經(jīng)驗，初襯混凝土在隧道拱頂處受拉破壞對隧道安全性的影響比在仰拱處受拉破壞引起的影響更為顯著。因此在實際施工時，應(yīng)著重監(jiān)測拱頂?shù)淖冃问芰?，及時采取有效的支護措施。

圖7 初襯混凝土最大主應(yīng)力

3.2 CRD 工法結(jié)果分析

3.2.1 圍巖位移

由表4 （CRD 法施工過程中隧道圍巖位移對比）可見，隨著隧道逐步開挖，圍巖位移同樣持續(xù)增大。當(dāng)左導(dǎo)坑施工完畢后拱頂豎向位移僅為-0.9 mm，初期支護后拱頂豎向位移卻迅速增大到-9.1 mm，可見圍巖拱頂豎向位移主要發(fā)生在右導(dǎo)坑施工后，此過程增加的豎向位移約占最終位移的72%，拱頂最終位移為-12.6 mm。左導(dǎo)坑施工完畢后邊墻水平位移為3.4 mm，初期支護后邊墻水平位移為5.1 mm，最終邊墻水平位移為5.5 mm，可見邊墻水平位移主要發(fā)生在左導(dǎo)坑施工過程中。

表4 CRD 法施工隧道圍巖位移對比

3.2.2 鋼拱架受力

由隧道開挖完成后鋼拱架的應(yīng)力云圖（圖8）可知，鋼拱架應(yīng)力均小于零，即處于受壓狀態(tài)。鋼拱架左邊部分應(yīng)力大于右邊部分，原因是左導(dǎo)坑先施工。鋼拱架最大應(yīng)力發(fā)生在豎向臨時支撐處，約為-92 MPa，低于鋼材本身的抗壓強度，鋼拱架整體處于安全狀態(tài)。

圖8 隧道開挖完成后鋼拱架應(yīng)力

3.2.3 噴射混凝土受力

由隧道開挖完成后初襯混凝土的最大主應(yīng)力云圖（圖9）可知，CRD 工法下初襯混凝土同樣處于受拉狀態(tài)。施工完成后，最大主應(yīng)力較大值主要發(fā)生在隧道仰拱右側(cè)和拱頂右側(cè)，這是因為左導(dǎo)坑先施工導(dǎo)致豎向臨時支撐產(chǎn)生的支護作用更偏向隧道左半部分。

圖9 初襯混凝土最大主應(yīng)力

3.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)果分析

3.3.1 圍巖位移

由表5（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中隧道圍巖位移狀況）可知，隨著隧道的開挖，圍巖位移變化規(guī)律相似。當(dāng)右導(dǎo)坑施工完成后圍巖拱頂豎向位移僅為-0.9 mm，當(dāng)中間核心區(qū)施工完成后拱頂豎向位移迅速增至-5.1 mm，可見圍巖拱頂豎向位移主要發(fā)生在中間核心區(qū)施工后，約占最終位移的54%。左導(dǎo)坑施工完畢后邊墻的水平位移為3.13 mm，右導(dǎo)坑施工完畢后其值為4.4 mm，中間核心區(qū)施工完后其值為4.9 mm，最終邊墻水平位移為5.1 mm，可見邊墻水平位移主要發(fā)生在左導(dǎo)坑施工中。

表5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道圍巖位移

3.3.2 鋼拱架受力

由隧道開挖完成后鋼拱架的應(yīng)力云圖（圖10）可知，鋼拱架施工完成后處于受壓狀態(tài)。施工完畢后，上部分橫撐處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力約為14.7 MPa，這是因為豎向臨時支撐存在向內(nèi)部的水平變形。整個鋼拱架最大應(yīng)力發(fā)生在豎向臨時支撐，峰值約為-136 MPa，同樣低于鋼材本身的抗壓強度，鋼拱架整體處于安全狀態(tài)。

圖10 隧道開挖完成后鋼拱架應(yīng)力

3.3.3 噴射混凝土受力

由隧道開挖完成后初襯混凝土最大主應(yīng)力云圖（圖11）可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工下初襯混凝土同樣處于受拉狀態(tài)，施工完畢后最大主應(yīng)力在隧道拱頂位置較大，因此該工法施工時應(yīng)著重監(jiān)測拱頂?shù)淖冃问芰η闆r并及時支護。

圖11 初襯混凝土最大主應(yīng)力

3.4 三種施工工法對比分析

由上述三種施工工法下不同位置的最大主應(yīng)力曲線（取正中間剖面的計算結(jié)果，下同）（圖12(a)）可知，不同施工工法下隧道圍巖最大主應(yīng)力規(guī)律相似，四個位置最大主應(yīng)力均小于零，即為壓應(yīng)力。邊墻處的主應(yīng)力值最大，拱腰處次之，仰拱處較小，拱頂處最小，其中圍巖仰拱和拱頂位置主應(yīng)力較小，處于應(yīng)力松弛狀態(tài)。對比不同工法下的主應(yīng)力可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工完畢后圍巖各處位置的最大主應(yīng)力最大，圍巖受力狀態(tài)最佳。

由不同工法下拱頂豎向位移和邊墻水平位移曲線（圖12(b)）可知，三臺階法下拱頂豎向位移和邊墻水平位移分別為21.3 mm 和9.2 mm，CRD 法為12.6 mm 和5.6 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為7.9 mm 和5.1 mm?？梢?，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能更好地控制圍巖變形，三臺階法對圍巖變形控制的效果最差。

由不同位置處初襯混凝土最大主應(yīng)力曲線（圖12(c)）并對比三種施工工法可知，不同工法不同位置下的初襯混凝土最大主應(yīng)力均大于零，即為拉應(yīng)力。仰拱處的最大主應(yīng)力最大，拱頂處次之，拱腰處較小，邊墻處最小。對比不同工法可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工不同位置最大主應(yīng)力均最小，由于混凝土材料的抗拉強度低，因此采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時初襯結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更佳，更有利于隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定。

圖12 不同施工工法對比

4 結(jié)論

基于某淺埋暗挖公路隧道工程，利用有限元軟件建立隧道施工模型，分析三臺階法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工法下隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的受力變形情況，以獲得該工程最合理的施工工法。通過對比可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道時圍巖變形控制最佳，且受力狀態(tài)和穩(wěn)定性最好，因此該工程最合理的施工工法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。