淺議地下工程動態施工開挖方案的選擇分析

徐 帥，趙繼浪，諶萬里

(1.中國華西企業股份有限公司，四川成都610081;2.四川省工程咨詢研究院，四川成都610012;3.四川省第一建筑工程公司，四川成都610081)

1 地下工程開挖方案的確定

地下工程一般是采用分期或分部開挖，是與工程地質條件、施工機械設備、支護材料、支護設備、施工工藝等有關系，也與巖土力學和施工單位的施工經驗、組織能力相關聯。

地下工程動態施工的力學和開挖優化原理指出，地下洞室開挖應分期分塊，逐步開挖形成設計形狀的要求。因此，從動態規劃來說，其開挖方案應該是多種多樣的。但是在實際的工程施工中，受制于場地、機械、地質條件和施工單位的技術水平和組織管理能力等因素，其優化的施工方案只能是施工單位所能接受的幾種方案之一，所以，所做的優化也只能是相對的最優化的施工方案。但是，仍然可以大大減少設計、施工和監理等工程參與各方的工作量，有利于降低工程成本，加快工程進度，確保施工安全。同時也應該看到，在城市建設的工程中，相對的最優化施工開挖方案能夠較有效的節省資金、加快工程進度、保證工程質量、滿足工程項目建設的需要。

在目前的地下工程施工中，分層分段臺階開挖，小斷面挖進是一種應用相當普遍的施工方法。在軟弱圍巖中的地下工程的施工主要有雙側壁導洞正臺階法、中導洞掘進法、下導洞適度超前全斷面臺階施工方法等。由于這幾種施工方法各自具有不同的施工工藝要求，并且其開挖后圍巖和支護結構的力學狀態也不相同，如何選擇合理的施工方法，保證地下工程施工安全。本文針對以上三種施工方法，通過簡要分析比較，以期就該類型工程施工方法上找到一個經濟合理、技術上安全的施工方法。

2 計算模型和有關參數的確定

筆者在計算時，假定以IV類圍巖為例，考慮以平面應變的二維彈塑性有限元為模型，其計算有關參數假定為表1所示，進行有關有限元計算。

表1 計算的相關力學參數

通過對其相應的三種開挖步驟和支護過程的分析，并對以上結果進行計算分析后可得到如下結論。

(1)通過對計算結果的數值分析，本文所述的三種施工方法在各自優化開挖施工步驟施工作業后可能引起的洞室拱頂最大下沉量分為雙側壁導洞正臺法51.5、65.3、81.4 mm(各個開挖步驟過程中的沉降量，下同)等，中導洞掘進法為32.8、52.9、66.9 mm等，而下導洞適度超前全斷面臺階法為51.9、66.0、82.0 mm等。其中施工過程中出現的最大沉降量均在施工最后階段出現，分別為97.8、99.3、98.4 mm，也即整體開挖與支護完成后，采用中導洞掘進法所引起的拱頂下沉量最大，下導洞適度超前法次之，而采用雙側壁導洞施工法引起的拱頂下沉量最小。另外，三種施工方案所產生的水平最大內斂位移分別為：中導洞掘進法28.6 mm，雙側壁導洞法28.3 mm，下導洞適度超前全斷臺階面法28.4 mm。因此，采用這三種比較先進的施工方法所產生的變形相差不大。

(2)通過對其地下工程襯砌的彎矩和軸力的計算分析后可以發現，采用雙側壁導洞正臺階法施工時，地下工程襯砌所承受的彎矩和軸力相對較小，而采用中導洞掘進法和下導洞適度超前全斷面施工法時地下工程襯砌所承受的彎矩和軸力相對較大。結合三種開挖方法下地下工程襯砌的受力特點，分析其內力的分布情況可以認為地下工程襯砌的內力特點為拱腰和拱頂的軸力較大，而彎矩的分布則相對較均勻，在邊墻腳部彎矩和軸力均出現較強的應力集中。根據對該地下工程有限元數值計算的結果，綜合分析洞室開挖時三種施工方案所引起的拱頂沉降及水平位移大小，可以認為若地下工程襯砌所承受的內力較小，則拱頂沉降及水平位移大，反之，若地下工程襯砌所承受的內力較大，則拱頂沉降及水平位移小。

通過對Ⅳ類軟弱圍巖條件下三種施工方案的有限元數值分析，從地下工程開挖引起的襯砌拱頂下沉量及水平位移大小、襯砌彎矩與軸力大小與分布等方面計算結果相比較，筆者認為：采用下導洞適度超前全斷面法要比中導洞掘進法、雙側壁導洞正臺階法安全經濟，在施工過程中可以結合實際情況優先考慮，以保證施工的順利進行。