张家胜

摘要：文章以某城市地下公路浅埋暗挖隧道为研究对象，采用有限元方法对CRD法及中隔壁台阶法进行三维动态开挖数值模拟，对比分析两种工法隧道围岩与支护结构变形及受力特征，依据数值计算结果对中隔壁台阶法进行优化，结合现场应用情况及监测数据反馈信息，比较两种工法在施工安全、质量、进度及造价方面的优劣势。研究及工程实践表明：两种工法均满足围岩及支护结构稳定性的要求，中隔壁台阶法在施工进度及造价方面明显优于CRD法，实际应用中取得了较好的工程效益，能够对類似工程的建设提供借鉴与指导。

关键词：城市地下公路隧道；浅埋暗挖；CRD法；中隔壁台阶法

一、工程概况

（一）工程简介

杭州市某隧道全长14.4km，是全国最长的城市公路隧道。其中土建工程第Ⅵ标段起讫里程为K12+700～K14+140，全长1440m，分为U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道设计为双线双向四车道，东线设计里程为K13+569.1～K12+700，西线里程为K13+587.1～K12+710。浅埋暗挖隧道段下穿紫金港路、天目山路等城市主要交通道路，车流量大，地下管线众多，且濒临国家5A级景区。

（二）工程地质水文条件

浅埋暗挖段隧道穿越v级围岩。本文以东线K13+437～K13+497区段为主要研究对象，隧道埋深约为9～10.9m，隧道穿越地层为粉质粘土混碎石。东线K13+467断面地质剖面如图1所示。

（三）施工方法

前期采用CRD工法施工时存在施工进度慢、沉降控制不太理想的情况，因此，从东线K13+467及西线K13+482起计划采用中隔壁台阶法。CRD法与中隔壁台阶法的施工步序见图2，支护结构设计参数见表1。

二、数值分析

由于中隔壁台阶法在实际工程中运用较少，为了解工法的施工效果及确保工法的可靠性，在采用中隔壁台阶法施工前，以东线隧道K13+467～K13+437区间地质条件为原型，分别对两种工法进行了三维动态开挖支护数值模拟，对比分析两种工法围岩及支护结构受力、变形特征，为施工方法的转换提供依据，同时基于数值分析结果对中隔壁台阶法进行局部的优化调整以确保实际施工的安全性。

（一）数值模型建立

模型横向为90m，竖向上部取至地表面，下部取至地勘钻孔底部，竖向总高度为50m，隧道纵向深度为45m，数值模型如图3所示。

（二）计算参数确定

隧道支护结构和围岩均采用实体单元来进行模拟，单元类型为三维8节点减缩积分实体单元，锚杆采用杆单元，利用em-bedded命令嵌入围岩中。初期支护、临时支护采用混凝土材料，通过刚度等效原则，确定初期支护及临时支撑参数。围岩采用摩尔-库伦本构模型。超前小导管注浆区域模拟过程中采用改变该区域材料属性来实现超前注浆。围岩物理力学参数参考工程地质勘察资料选取。围岩及支护结构物理力学参数见表2。

（三）数值模拟结果分析

重点对比分析两种工法施工引起的拱顶、地表沉降及初期支护应力。两种工法的数值计算结果对比如表3所示。由数值计算结果可知，在变形控制方面，CRD工法优于中隔壁台阶法，由于中隔壁台阶法取消了下台阶临时中隔壁，导致仰拱隆起值较大。支护结构受力状态方面，中隔壁台阶法在上台阶拱脚、下台阶拱脚位置应力值大于CRD法，拱顶、临时支护、仰拱位置应力值小于CRD法，产生此现象主要是因为中隔壁台阶法没有下台阶临时中隔壁，导致初期支护与临时支护承担荷载分配的比重重新调整，初期支护承受荷载增大而临时支护承担荷载减小。

三、中隔壁台阶法优化

基于上述数值计算结果的分析，对中隔壁台阶法进行了以下几个方面的优化。

（1）数值计算结果显示，临时中隔壁与临时仰拱连接处存在应力集中现象，因此将临时支护由直变曲，以减轻应力集中影响；

（2）下台阶土体开挖后临时支护在一段时间内将处于悬空状态，因此在临时支护悬空段间隔3m设置φ159钢管柱作为临时支撑，优化后中隔壁台阶法示意如图4所示；

（3）数值计算结果显示，中隔壁台阶法初期支护承受荷载增加。为了提高初期支护承载能力，在原有拱架纵向连接筋的基础上在上下台阶拱脚处对应增加2根斜向45°连接筋，提高初期支护的纵向刚度，具体优化设计如图5所示；

（4）中隔壁台阶法拱腰及拱脚位置处承载能力强弱对支护结构稳定极为关键，轻此优化原设计φ42×4、L=4.5m锁脚锚管，增设锁脚、锁腰锚管，每榀增加16根，同时优化锁脚、锁腰锚管与拱架有效连接措施，增加φ22、L=60cm的U型筋并进行焊接加固，具体优化设计如图6所示。