李宝平，高诗明，王 睿，秦 威

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710032)

0 引言

浅埋隧道埋深较浅，围岩多风化，围岩受力、支护结构应力分布及变形情况复杂［1］，尤其是在地形起伏大的丘陵地区，浅埋隧道施工过程中围岩应力分布以及衬砌受力变形状况更加复杂，导致隧道施工过程中围岩的变形规律也较为复杂。在施工过程中，地层承载力差，开挖引起的地层应力迅速传到地表，从而引起明显的地表沉降［2］，国内外隧道的施工事故中，因工法选择不当，造成施工过程中发生大变形、掌子面坍方等灾害例子不在少数，如郑西客运专线南山口隧道、张集铁路旧堡隧道、成渝高速公路缙云山隧道等。

在隧道开挖方法选择方面，国内学者做出了不懈努力。如:张征亮［3］以广甘高速公路软岩隧道为工程背景，通过数值计算和室内模型实验对二台阶法、二台阶预留核心土法、三台阶法、三台阶预留核心土法、CD法、三台阶七步法等进行了比较分析，结合现场实际及数值计算、室内模型试验结果，提出了软岩隧道合理工法。吴多云［4］基于花甲山双线隧道浅埋段，采用三维数值模拟对CRD法和大拱脚预留核心土台阶法2种施工方法行了分析，基于数值模拟和理论分析的结果，并考虑到CRD法和大拱脚台阶法的施工效率、安全性及投资等因素，建议花甲山双线隧道浅埋段采用大拱脚台阶法施工。李化云等［5］以京沪高铁西渴马1号隧道为工程背景，采用数值模拟研究浅埋大跨隧道中双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法和三台阶七步法3种开挖方法的合理性，论证了三台阶七步法的合理性。孙兆远等［6］以新建合肥至武汉铁路站前工程第三标段铁路隧道为例，通过对全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法和双侧壁导坑工法进行对比分析，选择了铁路客运专线大断面隧道开挖方法。秦峰等［7］以京福高速公路隧道施工为例，针对各断面，通过方法比选选择了合适的施工方法。申灵君［8］以湘桂铁路扩改工程大坪隧道为工程背景，针对软弱地层大断面隧道的CRD法和三台阶七步法2种施工方案，进行了方案比选，论证了三台阶七步开挖法应用于软弱地层大断面隧道的可行性。

目前国内设计规范中未明确规定各种开挖方法的适用条件，设计人员只能凭自己的工程经验进行选取，设计具有一定的盲目性。文章以浅埋公路隧道为研究对象，利用层次权重决策分析法［9］对隧道施工工法进行对比分析，结合FLAC3D软件，模拟CRD法、正台阶环形开挖法［10］施工后的地表沉降，对比工程实际，验证层次权重决策分析法，为浅埋隧道施工工法选择提供参考。

1 研究方法及计算模型

1.1 层次权重决策分析法基本理论

层次权重决策分析法是美国运筹学家T.L.Saaty教授于20世纪70年代提出的一种系统分析方法。它是一种确定权系数的有效方法，把复杂问题中的各因素划分为互相关联的有序层，使之条理化，根据对客观实际的模糊判断，就每一层次的相对重要性给出定量的表示;它巧妙地利用矩阵特征值和特征向量运算，帮助人们进行群组判断，以确定某些定性变量的赋值。应用层次权重决策分析法进行分析的步骤如下:

1)建立递阶层次结构。利用层次权重决策分析法首先明确要分析决策的问题，并把它条理化、层次化，理出递阶层次结构。一般来说，层次权重决策分析法分为3个层次:目标层(最高层)、准则层(中间层)和措施层(最低层)。

隧道工程开挖方法比选的层次权重决策分析法示意图如图1所示。

图1 层次权重决策分析法Fig.1 Analytic hierarchy process

2)构造两两判别矩阵。通过反复询问作答的方法，比较两元素的重要程度，并根据其重要性进行赋值，以1～8为尺度进行，具体见表1。

表1 赋值表Table 1 Evaluation

构造判断矩阵的方法是:每一个具有向下隶属关系的元素(被称作准则)作为判断矩阵的第1个元素(位于左上角)，隶属于它的各个元素依次排列在其后的第1行和第1列。设判断矩阵A=(aij)n×n=1，判断矩阵具有如下性质:①aij＞0;②aij=1/aji;③aij=1。

3)求得最大特征值。利用方根法或者和积法进行求解。

4)进行一致性检验。若检验结果＜0.1，可以认为判别矩阵是可以接受的。

5)应用层次权重决策分析法确定评价指标系数。评价一个事物N的优劣时，以权重系数来衡量各评价指标的重要程度，记为:W={W1，W2，… ，Wn}。

1.2 数值分析模型

为了更好地分析隧道开挖后土体的地表沉降，采用三维模型进行分析计算。模型是一个宽60 m(x轴方向)，长1 m(y轴方向)，厚100 m(z轴方向)的六面体。该模型共有3 520个单元，5 463个单元节点。隧道有限元网格模型如图2所示。

图2 隧道有限元网格模型Fig.2 Finite element model of tunnel

通过FLAC3D模拟不同开挖方法二次衬砌后的地表沉降，施工模拟建模—自重应力场模拟—加固圈加固—初期支护—二次衬砌—计算—输出。

2 工程实例

某一公路隧道为直线隧道，隧道建筑界限净宽10 m，隧道出入口为V级破碎围岩，其浅埋段隧道围岩的物理力学性质指标见表2。

浅埋隧道开挖方法由可能性、安全性、工期可控性、经济性4个子系统构成。从系统工程理论出发，应统筹兼顾，全面考虑，通过对比分析(见表3)，选择最优的开挖方法。

建立两两比较的判断矩阵(见表4—7)，分别从施工难度、最大累计沉降、施工速度和工程造价出发，求得4阶矩阵的最大特征值，并对一致性指数进行验算。

1)对于评价指标C1。P1＞P2＞P3＞P4。

表2 围岩物理力学性质指标Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

表3 开挖方法对比表Table 3 Comparison and contrast among different excavation methods

表4 施工难度两两比较Table 4 Comparison and contrast among different excavation methods in terms of construction difficulty

①牛顿迭代法求解方程可得4阶方阵的最大特征值λmax=4.3;② 计算一致性指数 CI，由公式 CI=(λmax－n)/(n － 1)，可得 CI=0.1，满足要求。

2)对于评价指标C2。P2＞P1＞P3＞P4。

表5 最大累计沉降两两比较Table 5 Comparison and contrast among different excavation methods in terms of maximum cumulative settlement

①牛顿迭代法求解方程可得4阶方阵的最大特征值λmax=4.14;② 计算一致性指数 CI，由公式CI=(λmax－ n)/(n －1)，可得CI=0.047，满足要求。

3)对于评价指标C3。P3＞P1＞P2＞P4。

表6 施工速度两两比较Table 6 Comparison and contrast among different excavation methods in terms of construction speed

①牛顿迭代法求解方程可得4阶方阵的最大特征值λmax=4.29;② 计算一致性指数 CI，由公式 CI=(λmax－ n)/(n － 1)，可得 CI=0.097，满足要求。

4)对于评价指标C4。P4＞P1＞P2＞P3。

表7 工程造价两两比较Table 7 Comparison and contrast among different excavation methods in terms of works cost

①牛顿迭代法求解方程可得4阶方阵的最大特征值λmax=4.14;② 计算一致性指数 CI，由公式 CI=(λmax－ n)/(n － 1)，可得 CI=0.047，满足要求。

确定开挖方法总排序，从控制地表沉降出发，根据相对权重系数计算公式可得到层次单排序结果，同时也可以综合分析，得到总的排序结果(见表8)。

表8 总排序结果表Table 8 Overall order of different excavation methods

通过开挖方法比选决策——层次权重决策分析法分析可得，从控制地表最大沉降出发，CRD工法最优。

对浅埋隧道开挖施工技术进行数值分析，其初期支护及二次衬砌有限单元计算参数见表9。

表9 有限元计算参数Table 9 Parameters for finite element calculation

通过有限差分程序FLAC3D模拟隧道位移场、CRD开挖方法二次衬砌后的地表沉降。自重应力场模拟如图3所示，二次衬砌后竖向位移如图4所示，并将模拟结果与实测结果进行比较，得到最终结论。

图3 自重应力场模拟Fig.3 Simulation of stress field in gravity

图4 二次衬砌后竖向位移Fig.4 Vertical displacement after secondary lining is installed

在隧道上方地表，靠近衬砌中线处每隔3 m设置一个测点，左侧离中线距离为负值，右侧为正值，如图5所示，离衬砌较远的地方每隔5 m设置一个测点，共13个测点。施工单位从工程造价的角度考虑，工程实际采用正台阶环形开挖法。图5为正台阶环形开挖法地表沉降实测值、正台阶环形开挖法地表沉降模拟值和CRD法地表沉降模拟值对比分析图。

图5 二次衬砌后地表沉降对比分析图Fig.5 Ground surface settlement after secondary lining is installed

由图5分析可得，CRD法和正台阶环形开挖法施工时，隧道拱顶正上方地表沉降最大，其中正台阶环形开挖法施工时地表沉降的最大值为1.14 mm，CRD法施工时地表沉降最大值为1.08 mm。隧道中线上方地表沉降成抛物线分布，中间最大，向两边依次减小，即地表水平距离离隧道中线越远受影响程度越小;CRD法施工对控制地表沉降有很好的效果;而正台阶环形开挖法FLAC3D模拟方法与实际工程的变形规律也有很好地吻合，这说明FLAC3D数值模拟软件能帮助我们从理论高度解释和认识浅埋隧道施工过程中变形规律和工程特点，指导我们选择合理的开挖方法。

3 结论与讨论

1)通过采用层次权重决策分析法对隧道浅埋段分析可得，从控制地表最大沉降出发，CRD工法开挖最优。

2)层次权重决策分析法是选择开挖方法的最简单且又行之有效的方法。

3)FLAC3D数值模拟软件，利用数值分析方法可以动态模拟隧道施工过程地表沉降变化规律，而且从理论上解释了浅埋隧道施工过程中变形规律和工程特点。

4)利用层次权重决策分析法结合FLAC3D软件研究浅埋隧道开挖方法的选择具有很强的工程意义和应用前景，能更好地指导浅埋隧道施工方法的选择。

［1］ 中华人民共和国行业标准.JTD 70—2009公路隧道设计规范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［3］ 张征亮.广甘高速公路软岩隧道开挖方法对比研究［D］.成都:西南交通大学土木工程学院，2012.

［4］ 吴多云.高速铁路浅埋隧道施工方案优化及监测分析［D］.湘潭:湖南科技大学土木工程学院，2011.

［5］ 李化云，张志强，冯兴广.浅埋大跨隧道开挖方法比选数值模拟分析［C］//第3届全国工程安全与防护学术会议论文集.武汉:中国工程院土木、水利与建筑工程学部、中国岩石力学与工程学会安全与防护分会，2012.

［6］ 孙兆远，罗琼，耿伟，等.铁路客运专线大断面隧道开挖方法选择［J］.隧道建设，2007(S1):9－15.(SUN Zhaoyuan，LUO Qiong，GENG Wei，et al.Comments on excavation methods of passenger-dedicated railway tunnels with large cross-sections［J］.Tunnel Construction，2007(S1):9 －15.(in Chinese))

［7］ 秦峰，吴存兴.小净距隧道开挖方法浅论［J］.现代隧道技 术，2003，40(6):39 －42，49.(QINFeng，WUCunxing.Discussion on the excavation methods for tunnels with small spacing［J］.Modern Tunneling Technology，2003，40(6):39 －42，49.(in Chinese))

［8］ 申灵君.软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研究［D］.长沙:中南大学土木工程学院，2012.(SHEN Lingjun.Construction scheme optimization and technology research of soft ground large section tunnel［D］.Changsha:School of Civil Engineering，Central South University，2012.(in Chinese))

［9］ 李飞，赵倩倩，李馨.基于遗传层次综合评价的绥化东枢纽互通方案比选［J］.公路工程，2011，36(4):119－123.(LI Fei，ZHAO Qianqian，LI Xin.Based on the genetic level comprehensive evaluation of sui hua east hub exchange scheme comparison［J］.Highway Engineering，2011，36(4):119 －123.(in Chinese))

［10］ 李围.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.