淺埋大斷面公路隧道施工工法對(duì)比研究

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(jì)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)隧道設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)法等對(duì)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(duì)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(duì)比CRD 法和臺(tái)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(duì)比分析不同圍巖參數(shù)和支護(hù)參數(shù)以確定該解析解的適用范圍。于麗等[5]針對(duì)淺埋黃土隧道工程，利用理論法研究了隧道圍巖壓力計(jì)算方法。李鵬飛等[6]通過對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律，以位移和應(yīng)力為指標(biāo)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(hù)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(shì)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(biāo)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(yán)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(dá)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(shí)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(shí)應(yīng)力場時(shí)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(diǎn)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(shí)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(jì)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(jí)為C25，二次襯砌混凝土等級(jí)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(tái)階法開挖模擬

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

圖2 三臺(tái)階法

2.3.2 CRD 法開挖模擬

CRD 法開挖隧道時(shí)，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(gè)臺(tái)階。先從上至下開挖左側(cè)3 個(gè)臺(tái)階，隨后同樣方式開挖右側(cè)。每次開挖進(jìn)尺均為2 m，臺(tái)階長度均為4m。每次開挖完成后實(shí)施初期支護(hù)，右側(cè)下臺(tái)階掘進(jìn)16 m后進(jìn)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(shí)，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(jìn)尺均為2 m，臺(tái)階長度為4 m。每次開挖完成后實(shí)施初期支護(hù)，右導(dǎo)坑最下部分掘進(jìn)16 m 后進(jìn)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(tái)階法結(jié)果分析

3.1.1 圍巖位移

截取三臺(tái)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(jìn)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(duì)稱狀態(tài)且最終水平位移為9.2 mm。

表3 三臺(tái)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(duì)稱性，鋼拱架的應(yīng)力左右兩側(cè)呈對(duì)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(qiáng)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(duì)稱性，最大主應(yīng)力同樣左右對(duì)稱，隧道仰拱和拱頂處的最大主應(yīng)力比較大，原因?yàn)樵撎幾冃瘟勘容^大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初襯混凝土在隧道拱頂處受拉破壞對(duì)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(shí)際施工時(shí)，應(yīng)著重監(jiān)測拱頂?shù)淖冃问芰?，及時(shí)采取有效的支護(hù)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(duì)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(hù)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(hù)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(duì)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(shí)支撐處，約為-92 MPa，低于鋼材本身的抗壓強(qiáng)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?yàn)樽髮?dǎo)坑先施工導(dǎo)致豎向臨時(shí)支撐產(chǎn)生的支護(hù)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?yàn)樨Q向臨時(shí)支撐存在向內(nèi)部的水平變形。整個(gè)鋼拱架最大應(yīng)力發(fā)生在豎向臨時(shí)支撐，峰值約為-136 MPa，同樣低于鋼材本身的抗壓強(qiáng)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(shí)應(yīng)著重監(jiān)測拱頂?shù)淖冃问芰η闆r并及時(shí)支護(hù)。

圖11 初襯混凝土最大主應(yīng)力

3.4 三種施工工法對(duì)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(jì)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(gè)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(duì)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(tái)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。可見，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能更好地控制圍巖變形，三臺(tái)階法對(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)度低，因此采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)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(duì)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(tái)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(hù)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(duì)比可知，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道時(shí)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。