大斷面公路隧道開挖方法數值分析

鄭 暉

(大連廣播電視大學，遼寧大連 116021)

大斷面公路隧道由于埋深增大，地應力進一步增加，圍巖極易發生失穩乃至坍塌的危險。修建深埋大斷面公路隧道的關鍵問題首先是確定所采用的開挖方法。由于巖體介質的相對復雜性，各類圍巖與支護的受力會隨開挖方法的不同而變化。判斷圍巖穩定性的方法有模型實驗、原位實驗、工程類比、數值分析等，其中數值分析法是最適合分析隧道施工的方法［1］。一些學者對大斷面公路隧道進行了研究［2-6］，采用有限元或有限差分模擬了整個隧道圍巖的變形過程，分析了圍巖和支護結構體非線性力學行為的地應力場、位移場，確定了適合于大斷面公路隧道的合理施工方法。

隧道的開挖過程是極其復雜的系統工程，開挖方法的選擇應根據隧道的埋置深度、所處地質情況及支護條件等因素綜合考慮。本文依托大連某橋隧建設工程，分別采用導洞法、單側壁導坑法和雙側壁導坑法，詳細的分析隧道開挖支護后圍巖的位移場和應力場，以期確定該類地質條件下合理的開挖方法，預測隧道施工中的險情。

1 工程概況

本工程以大連某橋隧建設工程為背景，該公路隧道為分離式汽車專用一級公路隧道，設計行車速度60 km/h。隧道建筑限界寬13.75 m，高5 m。擬建東西線隧道間距19.30 m～151 m。隧道最大埋深為164.00 m。隧道洞身擬采用復合式襯砌混凝土結構。根據地質測繪、鉆探、槽探資料，該隧址區第四系由全新統素填土及晚更新統坡積的含碎石粉質粘土組成，基巖為震旦系細河群橋頭組(Zxhq)石英巖夾板巖，部分地段為板巖夾石英巖。地層基巖產狀:走向190°～283°，傾向100°～193°，傾角25°～58°。

2 隧道開挖的數值仿真模擬

2.1 計算模型及參數設置

由于該工程規模較大，本文僅選取東線隧道典型斷面EK1+660進行模擬，該斷面所處的圍巖級別為Ⅳ級，其物理力學參數根據工程地質勘察報告和參照文獻［7］，其具體取值見表1。根據圣維南原理，本工程確定計算邊界在3倍開挖寬度范圍內，模型長120 m，寬80 m，高120 m。計算模型的前后左右施加法向約束，底部施加豎向約束，上表面為自由面。

圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。初期支護采用30 cm厚的C30噴射混凝土加雙層鋼筋網(φ6.5，20 cm×20 cm)，采用實體單元進行模擬;錨桿力學及幾何參數為:E=210 GPa，μ=0.3，外徑為 25 mm，長度為 4.5 m，抗拉強度為0.31 MPa，采用Cable單元進行模擬。二次襯砌作為安全儲備，不予考慮。三種開挖方案工序見圖1。

表1 隧道圍巖及初期支護計算參數

圖1 三種開挖方案工序

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 位移場分析

水平收斂和拱頂下沉是隧道圍巖應力變化最直觀的表現形式。隧道開挖后，出現臨空面，巖體有了變形的空間。由于地應力的局部釋放，巖體因卸荷作用而發生位移變化。表2為隧道采用三種開挖方法時的周邊位移計算值。隧道開挖支護后，圍巖水平位移整體變化不大，右邊墻水平位移略大于左邊墻位移，兩側邊墻向內發生擠壓。

考慮到施工過程相互影響的作用，當左導洞開挖完畢后，已經發生一定的位移變化，在右導洞開挖的過程中，因為施工對左導洞繼續產生影響，會使左導洞產生的應變持續增加。雙側壁導坑法由于每次開挖范圍相對較小，對周邊位移影響較小，因此位移變化量最小。

表2 隧道三種開挖方法的周邊位移計算值 mm

2.2.2 應力場分析

從三種工法的最大主應力云圖可以看出，采用雙側壁導坑法時所受圍巖壓力不是很大，邊墻受力較均勻。導洞法和單側壁導坑法在隧道開挖支護后最大主應力分布趨勢略有不同，但總體的分布趨勢為拱頂出現拉應力，仰拱中間也出現一定的拉應力區，兩側邊墻部分從拱腰至拱腳出現壓應力，拱腳處有不同程度的應力集中現象出現。

由以上分析可知，拱頂、底板和拱腳易出現應力集中現象，是隧道施工中的薄弱部分，應及時采取措施，防止圍巖失穩。

3 結語

通過研究大斷面公路隧道的三種開挖方法在施工中的影響，得出如下結論:

1)綜合三種開挖方法，隧道周邊位移場均表現為:拱頂下沉，仰拱隆起，邊墻向洞內擠入。拱頂、拱腳、仰拱是應力集中的主要部位，有必要采取局部措施，同時加強對隧道關鍵部位和薄弱部位的監測。

2)分析比較三種開挖方法圍巖的位移和應力變化可知，雙側壁導坑法開挖每次開挖的范圍最小，受力更加均勻，因此有助于維持圍巖的穩定性。結合本工程的地質條件和施工特點，作者認為雙側壁導坑法在控制圍巖變形，減小支護結構受力等方面有良好的經濟適用性，因此是該工程的首選。

［1］Gunter Swoboda，Ahmed Moussa.Numerical modeling of shotcrete and concrete tunnel linings［A］.Tunneling and Groun Conditions［C］.Netherlands:AbdelSalam，1994:427-436.

［2］劉長祥，呂常新.三車道大斷面高速公路隧道穩定性數值模擬［J］.地下空間與工程學報，2007，3(4):688-693.

［3］蔣樹屏，胡學兵.云南扁平狀間與工程大斷面公路隧道施工力學響應數值模擬［J］.巖土工程學報，2004，26(2):178-182.

［4］段慧玲，張 林.大跨度公路隧道合理開挖方法對比研究［J］.土木工程學報，2009，42(9):114-118.

［5］鄒成路，申玉生.軟弱破碎圍巖大斷面隧道臺階法施工幾何參數優化分析［J］.公路工程，2013，38(2):27-31.

［6］童建軍，王明年.公路隧道圍巖亞級開挖及支護設計參數研究［J］.巖土力學，2011，32(1):515-519.

［7］JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.