凌云鹏　夏志国　陈礼明(.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　00055；.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆　40；.西南交通大学，四川成都　6009)The Research of the Reasonable Construction Method of the Shallow Bury and Long Span TunnelLING Yunpeng　XIA Zhiguo　CHEN Liming

浅埋大跨隧道合理施工方法研究

凌云鹏1夏志国2陈礼明3(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055；2.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆401122；3.西南交通大学，四川成都610039)The Research of the Reasonable Construction Method of the Shallow Bury and Long Span TunnelLING YunpengXIA Zhiguo2CHEN Liming3

摘要以昆明铁路枢纽东南环线呈贡隧道为工程背景，采用三台阶临时仰拱法、三台阶环形开挖留核心土法、三台阶法对隧道施工过程进行数值模拟，通过对不同施工方法下围岩变形、塑性区分布、支护结构应力和内力的比较分析，认为三台阶环形开挖留核心土法既能保证工作面的稳定性又能在一定程度上控制围岩变形，是浅埋大跨隧道比较合理的施工方法。

关键词隧道施工方法数值模拟留核心土法

目前针对浅埋大跨度隧道常用的施工方法有三台阶法、三台阶临时仰拱法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法和环形开挖留核心土法等[1-3]。这些方法都是把隧道断面进行分割或采用临时支护，保证工作面和周边围岩的稳定性，从而提高隧道的施工安全性。但是这种分割会造成开挖工序的相互影响，限制了大型机械的使用，并且由于分割开挖造成了围岩的多次扰动，从而增大了围岩变形[4-8]，有必要在保证工作面和围岩稳定性的前提下尽量减少施工工序。

以昆明枢纽东南环线呈贡隧道为背景，利用ABAQUS有限元软件对三台阶环形开挖核心土法、三台阶临时仰拱法和三台阶法三种施工方法进行数值模拟，研究在这三种施工方法下的围岩变形和塑性区分布范围以及支护结构的受力特性等，得出最合理的施工方法，为类似工程提供一定的参考和依据。

1计算模型及力学参数

1.1　计算模型

呈贡隧道全长855 m，最大拱顶埋深约28 m，属于浅埋隧道。选取暗挖段某一典型断面作为计算模型，断面埋深20 m，Ⅵ级围岩，隧道高度为13.50 m，最大跨度为15.20 m。

三维模型的边界范围为：水平方向上从隧道中心线至左右边界距离分别为40 m，隧道底部至模型下边界的距离为15 m，隧道纵向上长度为45 m，隧道拱顶至模型上表面距离为20 m。在边界约束方面，模型顶部为自由面，不施加约束，其余各面都施加法向约束。模型中围岩和支护结构采用六面体八节点缩减积分实体单元，不同施工方法的模型图如图1所示。

1.2　计算参数

隧道周边围岩情况较差，属于Ⅵ级围岩，采用D-P线性本构模型，初期支护和二次衬砌采用弹性本构模型。围岩、初期支护和二次衬砌力学参数见表1。

1.3　计算工况

本次计算采用三台阶环形开挖留核心土法、三台阶临时仰拱法和三台阶法三种工况来模拟隧道的施工过程，不同开挖方法施工工序如表2所示。

2结果分析

2.1　隧道围岩变形分析

在隧道开挖过程中，围岩变形对隧道与支护结构的稳定起着至关重要的作用。隧道开挖完成后，不同施工方法下的围岩变形量如表3所示。为了反映隧道开挖过程中开挖步(研究断面距工作面距离)对拱顶沉降的大小，同时为了消除边界效应的影响，选取中间断面(模型纵向22.5 m处)为研究断面，得出不同施工方法下研究断面拱顶下沉量随开挖步的变化曲线(如图2所示)。

对比三种施工方法围岩位移，不管是竖向位移值还是水平位移值，都是三台阶法最大，三台阶环形开挖留核心土法次之，三台阶临时仰拱法最小，这主要是由于三台阶临时仰拱法在隧道开挖后及时施作临时拱，使得初期支护闭合时间较早，围岩应力释放比较小，从而引起拱顶沉降量比较小。

从不同施工方法下拱顶沉降量随开挖步变形曲线可知，在采用不同的施工方法开挖隧道过程中，隧道拱顶都会产生一定的先行位移，一般占总位移的15%～20%左右，开挖上台阶产生的拱顶沉降量占总位移的35%左右，中、下台阶和仰拱开挖所占的位移占15%左右，开挖完毕后，拱顶沉降仍会继续，而增量比较小，此时围岩变形已经趋于稳定。

2.2　围岩及工作面塑性区分析

隧道开挖完成后，不同施工方法下隧道围岩和工作面塑性区分布和统计分别如图3～图5和表4所示。

对比三种施工方法围岩塑性区分布，隧道开挖过程中，上台阶整个工作面都进入塑形状态，中台阶和下台阶塑性区主要分布于台阶的两侧。不管是工作面塑性区分布范围，还是塑性区深度，三台阶环形开挖留核心土法都最小，说明上台阶预留核心土对于工作面稳定性具有重大的贡献。

通过对围岩塑性区深度进行对比分析可知，三台阶环形开留核心土和三台阶法塑性区最大深度基本相同，均为5 m左右，三台阶临时仰拱法围岩最大塑性区深度最小，为3 m左右，这说明三台阶临时仰拱法对控制围岩的最大塑性变形效果比较好，这主要是由于三台阶临时仰拱法及时闭合初期支护，对围岩的扰动比较小，从而使隧道边墙处围岩产生的应力集中程度也比较小。

2.3　支护结构内力分析

选取中间断面(模型纵向22.5 m处)为研究断面，不同施工方法下断面支护结构的轴力、弯矩和安全系数如表5所示。

对比三种施工方法支护结构安全系数，其安全系数均大于规范规定的数值，说明这三种施工方法均能保证隧道在施工期间的安全性；同时三台阶临时仰拱法支护结构内力最大，三台阶环形开挖留核心土法次之，三台阶法最小，这主要是三台阶临时仰拱法及时封闭支护结构，而三台阶环形开挖留核心土法开挖时在上台阶预留核心土，使得围岩应力释放相对比较小的缘故。

3结论

采用三种施工方法模拟隧道的施工过程，通过对围岩变形、塑性区分布以及支护结构内力进行比较分析，可以得出以下几条结论。

(1)隧道开挖过程中，围岩变形趋于稳定，三台阶法产生的变形最大，三台阶环形开挖留核心土法次之，三台阶临时仰拱法最小。对比三种工法对工作面纵向位移的约束效果，三台阶环形开挖留核心土法要大于三台阶临时仰拱法，三台阶法最差。

(2)在隧道开挖过程中，三台阶环形开挖留核心土法能够有效的减小工作面的塑性区深度和范围，从而保证隧道工作面的稳定性。

(3)三种工况支护结构安全系数：三台阶临时仰拱法>三台阶环形开挖留核心土法>三台阶法，其值均大于规范规定的2.0，说明这三种施工方法均能保证隧道在施工期间的安全性。

(4)三台阶临时仰拱法开挖后及时施做临时仰拱，可以很好的控制围岩变形和地表沉降，但由于及时封闭支护结构，使得支护结构受力比较大，且实际施工过程中，需要施做和拆除临时仰拱，费时费力，且提高了工程造价。三台阶法支护结构封闭比较晚，围岩变形、地表沉降比较大，且上台阶开挖断面较大，工作面稳定性比较差。三台阶环形开挖留核心土法在上台阶预留核心土，减小了工作面塑性区范围和深度，保证了工作面的稳定性，且围岩变形和地表沉降处于一个可控制的范围内。因此，三台阶环形开挖留核心土法能够很好地解决呈贡隧道工作面的稳定性和施工安全性问题，是比较合理的施工方法。

参考文献

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中图分类号：U459.1

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)05-0047-03

作者简介：第一凌云鹏(1988—)，2014年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，硕士，助理工程师，E-mail:ling881020@126.com。

收稿日期：2015-08-10