浅埋大断面公路隧道施工工法对比研究

2022-07-22李长明

广东水利电力职业技术学院学报 2022年3期

李长明

（中铁十八局国际有限公司，天津 300000）

交通基础设施建设直接关系到国家的经济发展，因此各国都在积极开展交通建设。隧道因具有便利通行、节约时间等优点，在我国获得大力发展。然而我国地质条件复杂，因此对隧道设计与施工的探讨变得十分必要和迫切。

选择合适的施工工法对隧道施工安全起至关重要的作用。众多学者通过数值法、理论法、试验法等对隧道施工问题展开了研究。李刚[1]以某大跨度隧道为研究对象，通过ABAUQS 有限元软件建立三维模型分析了隧道施工全过程，研究了不同断面隧道开挖中围岩的受力变形规律。戚玉亮等[2]基于某大断面浅埋暗挖海底隧道工程，利用数值模拟手段分析了采用CRD 法施工隧道围岩的变形和受力情况，以及CRD 法施工的合理工序。陈林杰等[3]以超大断面地铁车站隧道为工程背景，通过PLAXIS 3D 有限元软件建立数值模型，对比CRD 法和台阶法施工的围压变形和应力以确定合适的施工工法。李鹏飞等[4]通过理论法获得隧道围岩压力的解析解，并对比分析不同围岩参数和支护参数以确定该解析解的适用范围。于丽等[5]针对浅埋黄土隧道工程，利用理论法研究了隧道围岩压力计算方法。李鹏飞等[6]通过对高地应力软弱围岩隧道施工现场监测，获得了隧道施工中初期支护结构的受力变形规律，以位移和应力为指标分析了各施工工序的影响。邓伟等[7]以某大断面隧道为例，通过有限元软件建立三维数值模型分析了大断面隧道双侧壁导坑法施工过程，获得了双侧壁导坑法过程下的隧道围岩的变形规律和力学特性。

本文基于某浅埋暗挖公路隧道工程，利用有限元软件建立隧道施工模型，分析不同施工工法下隧道围岩和支护结构的受力变形，以获得该工程最合理的施工工法。

1 工程概况

某公路隧道起讫里程DK78+464～DK8+253，线路经过山区，两侧地势差异较大，山间谷地发育，局部有丘陵及河流阶地分布。山体受断裂及褶皱构造的制约，大多呈北东走向，地形较陡峻，地面标高200～700 m。地表大多植被茂密，除人工开挖外，基岩裸露地表少见，部分地段水土流失严重。沿线河流与山脉的延伸方向受构造线控制，并与构造线走向基本一致；河谷形态多为“V”型。

沿线地层出露较为复杂，一般上部为素填土、黏性土、粉土类、网纹状、蠕虫状黏土等，下部为砂砾层、卵砾石层等，其中河流漫滩、谷地区等积水低洼地带含淤泥、淤泥质黏性土等，第四系地层厚度5～30 m 不等，最大厚度达50 m。下覆地层岩性一般为砂质泥岩、页岩、砂岩、砾岩、砂砾岩、灰岩、白云质灰岩、板岩、千枚岩、凝灰岩、变质砂岩等，并发生区域变质作用。

2 三维有限元模型

2.1 有限元模型

根据工程实际，建立160 m(宽)×60 m(纵深)×90 m(高)的模型（见图1）。隧道横截面为单拱大断面，宽25.8 m，高19.5 m，隧道拱顶距地表12.5 m。在建模中未设置地下水，初始应力场即为自重应力场，在模拟隧道开挖形成的真实应力场时选用Null 模型。隧道周边围岩假设为各向同性的连续介质，用8 节点6 面体单元模拟，本模型为摩尔-库伦。初衬结构用Shell 单元模拟，钢拱架用Beam 单元模拟，锚杆用Cable 单元模拟，其余部分用实体单元模拟。

图1 模型整体

2.2 模型参数选取

依据现场勘察资料，可知岩土体的物理力学参数（见表1）。

表1 土体参数

依据隧道设计方案，隧道结构物理力学参数如表2 所示。其中初衬混凝土等级为C25，二次衬砌混凝土等级为C40，钢支撑选用工字钢。

表2 隧道结构参数

2.3 不同施工方法模拟过程

2.3.1 三台阶法开挖模拟

以三台阶法开挖隧道需将隧道横断面由上至下分三个台阶依次开挖，以此循环。开挖进尺均为2 m，台阶长度为4 m。每次开挖完成后实施初期支护，下台阶掘进16 m 后进行二次衬砌，单次施工二次衬砌长度为4 m（三台阶法模拟见图2）。

图2 三台阶法

2.3.2 CRD 法开挖模拟

CRD 法开挖隧道时，将隧道横断面分为左右两部分，各部分从上至下又分为3 个台阶。先从上至下开挖左侧3 个台阶，随后同样方式开挖右侧。每次开挖进尺均为2 m，台阶长度均为4m。每次开挖完成后实施初期支护，右侧下台阶掘进16 m后进行二次衬砌，单次施工二次衬砌长度为4 m。CRD 法模拟如图3 所示。

图3 CRD 法

2.3.3 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法开挖隧道时，将隧道横断面从左到右依次分为：左导坑、中间核心土和右导坑，再将每部分从上至下分为上中下三部分。首先依次开挖左导坑上中下三部分，接着同样方式开挖右导坑及中间导坑。开挖进尺均为2 m，台阶长度为4 m。每次开挖完成后实施初期支护，右导坑最下部分掘进16 m 后进行二次衬砌，单次施工二次衬砌长度为4 m。双侧壁导坑法模拟如图4 所示。

图4 双侧壁导坑法

3 数值模拟结果及分析

3.1 三台阶法结果分析

3.1.1 围岩位移

截取三台阶法施工下隧道正中间剖面竖向和水平位移云图（见图5），并给出相应隧道围岩位移表（见表3），可见：隧道竖向位移峰值发生在隧道拱顶处，水平位移峰值发生在两侧边墙处。随着施工推进其周边围岩位移逐渐持续增大。隧道拱顶的最终竖向位移为-21.2 mm，隧道边墙的水平位移呈对称状态且最终水平位移为9.2 mm。

表3 三台阶法施工隧道围岩位移

图5 隧道正中间剖面的竖向和水平位移

3.1.2 钢拱架受力

由隧道开挖完成后钢拱架的应力云图（图6）可知，由于模型的对称性，钢拱架的应力左右两侧呈对称分布，且沿着拱脚到墙角方向逐渐变大。应力较大值主要发生在隧道拱腰和拱顶位置，其中钢拱架应力峰值发生在两侧拱腰位置，约为62.2 MPa，低于钢拱架钢材本身的抗压强度，钢拱架整体处于安全状态。

图6 隧道开挖完成后钢拱架应力

3.1.3 初衬混凝土最大主应力

由隧道开挖完成后初衬混凝土的最大主应力云图（图7）可知，初衬混凝土的最大主应力为正，处于受拉状态，且最大主应力沿着拱顶向拱脚呈现先变小后增大的状态。由于对称性，最大主应力同样左右对称，隧道仰拱和拱顶处的最大主应力比较大，原因为该处变形量比较大。根据工程经验，初衬混凝土在隧道拱顶处受拉破坏对隧道安全性的影响比在仰拱处受拉破坏引起的影响更为显著。因此在实际施工时，应着重监测拱顶的变形受力，及时采取有效的支护措施。

图7 初衬混凝土最大主应力

3.2 CRD 工法结果分析

3.2.1 围岩位移

由表4 （CRD 法施工过程中隧道围岩位移对比）可见，随着隧道逐步开挖，围岩位移同样持续增大。当左导坑施工完毕后拱顶竖向位移仅为-0.9 mm，初期支护后拱顶竖向位移却迅速增大到-9.1 mm，可见围岩拱顶竖向位移主要发生在右导坑施工后，此过程增加的竖向位移约占最终位移的72%，拱顶最终位移为-12.6 mm。左导坑施工完毕后边墙水平位移为3.4 mm，初期支护后边墙水平位移为5.1 mm，最终边墙水平位移为5.5 mm，可见边墙水平位移主要发生在左导坑施工过程中。

表4 CRD 法施工隧道围岩位移对比

3.2.2 钢拱架受力

由隧道开挖完成后钢拱架的应力云图（图8）可知，钢拱架应力均小于零，即处于受压状态。钢拱架左边部分应力大于右边部分，原因是左导坑先施工。钢拱架最大应力发生在竖向临时支撑处，约为-92 MPa，低于钢材本身的抗压强度，钢拱架整体处于安全状态。

图8 隧道开挖完成后钢拱架应力

3.2.3 喷射混凝土受力

由隧道开挖完成后初衬混凝土的最大主应力云图（图9）可知，CRD 工法下初衬混凝土同样处于受拉状态。施工完成后，最大主应力较大值主要发生在隧道仰拱右侧和拱顶右侧，这是因为左导坑先施工导致竖向临时支撑产生的支护作用更偏向隧道左半部分。

图9 初衬混凝土最大主应力

3.3 双侧壁导坑法结果分析

3.3.1 围岩位移

由表5（双侧壁导坑法施工过程中隧道围岩位移状况）可知，随着隧道的开挖，围岩位移变化规律相似。当右导坑施工完成后围岩拱顶竖向位移仅为-0.9 mm，当中间核心区施工完成后拱顶竖向位移迅速增至-5.1 mm，可见围岩拱顶竖向位移主要发生在中间核心区施工后，约占最终位移的54%。左导坑施工完毕后边墙的水平位移为3.13 mm，右导坑施工完毕后其值为4.4 mm，中间核心区施工完后其值为4.9 mm，最终边墙水平位移为5.1 mm，可见边墙水平位移主要发生在左导坑施工中。

表5 双侧壁导坑法施工隧道围岩位移

3.3.2 钢拱架受力

由隧道开挖完成后钢拱架的应力云图（图10）可知，钢拱架施工完成后处于受压状态。施工完毕后，上部分横撑处于受拉状态，拉应力约为14.7 MPa，这是因为竖向临时支撑存在向内部的水平变形。整个钢拱架最大应力发生在竖向临时支撑，峰值约为-136 MPa，同样低于钢材本身的抗压强度，钢拱架整体处于安全状态。

图10 隧道开挖完成后钢拱架应力

3.3.3 喷射混凝土受力

由隧道开挖完成后初衬混凝土最大主应力云图（图11）可知，双侧壁导坑法施工下初衬混凝土同样处于受拉状态，施工完毕后最大主应力在隧道拱顶位置较大，因此该工法施工时应着重监测拱顶的变形受力情况并及时支护。

图11 初衬混凝土最大主应力

3.4 三种施工工法对比分析

由上述三种施工工法下不同位置的最大主应力曲线（取正中间剖面的计算结果，下同）（图12(a)）可知，不同施工工法下隧道围岩最大主应力规律相似，四个位置最大主应力均小于零，即为压应力。边墙处的主应力值最大，拱腰处次之，仰拱处较小，拱顶处最小，其中围岩仰拱和拱顶位置主应力较小，处于应力松弛状态。对比不同工法下的主应力可知，双侧壁导坑法施工完毕后围岩各处位置的最大主应力最大，围岩受力状态最佳。

由不同工法下拱顶竖向位移和边墙水平位移曲线（图12(b)）可知，三台阶法下拱顶竖向位移和边墙水平位移分别为21.3 mm 和9.2 mm，CRD 法为12.6 mm 和5.6 mm，双侧壁导坑法为7.9 mm 和5.1 mm。可见，双侧壁导坑法能更好地控制围岩变形，三台阶法对围岩变形控制的效果最差。

由不同位置处初衬混凝土最大主应力曲线（图12(c)）并对比三种施工工法可知，不同工法不同位置下的初衬混凝土最大主应力均大于零，即为拉应力。仰拱处的最大主应力最大，拱顶处次之，拱腰处较小，边墙处最小。对比不同工法可知，双侧壁导坑法施工不同位置最大主应力均最小，由于混凝土材料的抗拉强度低，因此采用双侧壁导坑法时初衬结构受力状态更佳，更有利于隧道施工过程中围岩的稳定。