奚家米，王明明，徐 鋒，巨 龍，朱 彬，王亞斌，寧利青，趙望希

（1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024）

超大斷面淺埋隧道施工方法的數值模擬

奚家米1，王明明1，徐 鋒2，巨 龍1，朱 彬1，王亞斌1，寧利青1，趙望希1

（1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024）

以西成鐵路客運專線得利隧道為工程背景，為合理選擇超大斷面隧道施工方案，使用ANSYS軟件對該隧道B型斷面進行了二維分步開挖模擬，分析了不同施工方法下隧道圍巖及襯砌的應力和變形情況。根據西成鐵路客運專線得利隧道的工程地質條件，分別探討了臺階法施工和雙側壁導坑法施工工況下隧道襯砌的受力和變形情況。分析表明雙側壁導坑法施工引起的地層沉降小于臺階法施工引起的地層沉降，因而雙側壁導坑法施工的安全性高于臺階法施工。其中臺階法開挖的關鍵是上部開挖，雙側壁導坑法開挖的關鍵是核心土上部開挖。在隧道具體施工過程中，必須對這些重點部位加強監控量測，及時支護，確保隧道安全施工。

數值模擬；施工方法；雙側壁導坑法；超大斷面隧道

0 引 言

鐵路是我國重要的基礎運輸設施，在我國交通運輸體系中占有非常重要的地位。國內特大斷面大跨度隧道具有斷面面積大、跨度大等特點，是近幾年為適應多車道高速鐵路建設而發展起來的一種隧道形式[1]。

全國各地已建成不少大斷面大跨度隧道，國內對于超大斷面隧道一般只有車站隧道才遇到，其施工斷面大，施工難度大。山嶺隧道一般會穿越不同地質的巖層，圍巖力學性質較為復雜。大斷面隧道的受力、變形與圍巖條件密切相關，支護結構與圍巖作為一個統一的受力體系相互約束，共同作用[2-3]。目前對于超大斷面隧道的變形及穩定性研究的方法主要集中在對施工方法的數值模擬、模型試驗及現場試驗等方面，利用計算機對隧道施工進行數值模擬是研究此類問題的一種非常有效的手段[4-7]。但是由于超大斷面隧道出現時間短，其設計、施工還有很多有待解決的難題。

國內對于大斷面、大跨度隧道施工過程中的圍巖變形及襯砌受力研究取得了一定程度的進展，楊建華[8]、劉德平[9]、余存鵬[10]針對軟弱圍巖情況進行了數值模擬研究，得出了墻腳處的底部圍巖，在整個施工過程中都存在應力集中現象的結果。操太林[11]經過工程實踐對多種施工方法進行了對比研究，得出雙側壁導坑法是某些特殊地段施工中的最佳方案。王志等[12]通過三維有限元方法對前黃隧道下穿高速公路段進行了分析，結果表明，采用大管棚超前支護以及選用雙側壁導坑法施工對路面及隧道拱頂的沉降都起到了很好的控制作用，而且隧道拱頂沉降和水平收斂位移受隧道縱向開挖空間效應和覆蓋層厚度的影響相當大，計算結果為鐵路隧道的設計施工提供了一定的理論依據。超大斷面隧道施工工序較多，如臺階法分步開挖及導坑法分步開挖等均是以分步開挖、多步循環開挖為主要施工方法。現在很多研究通過對各工序的分析來優化施工方案，如調整作業導坑的斷面，可有助于發揮機械的作用，提高施工的進度；再如設計合理的核心土厚度，能很好的改變隧道的受力條件，增強施工過程中圍巖的穩定性。

國內已經建成的鐵路大跨度隧道工程目前還較少，比如襄瑜鐵路Ⅱ線新指甲灣隧道，最大跨度22 m，最大開挖面積為250.36 m2；貴州大閣山公路隧道，開挖寬度22 m，開挖高度13 m；文中研究的得利隧道最大開挖斷面302.52 m2，最大開挖高度15.37 m，這是以前鐵路客運專線隧道所沒有遇到過的大跨度、大斷面的隧道。特大斷面、大跨度隧道采用分步開挖的方法進行施工，能較好地控制圍巖變形。在特大斷面、大跨度隧道施工過程中，掌子面的開挖對圍巖變形影響較大，是施工主要控制點。文中主要研究隧道開挖對圍巖變形的影響，為特大斷面、大跨度隧道設計施工和現場檢測提供借鑒與參考。

大跨度隧道因其開挖跨度大，施工工序復雜，對圍巖造成多次擾動，土體受力復雜，及時監控和反饋圍巖襯砌變形以及受力的狀況對于大跨度隧道的穩定性控制尤為關鍵。因此，應在施工前對襯砌受力及圍巖變形進行研究，以采取合適的開挖順序和支護方案，從而確保施工的安全可控[13]。文中根據得利隧道工程地質條件，使用大型通用有限元數值分析軟件ANSYS對臺階法施工和雙側壁導坑法施工進行了對比和分析討論，研究結果可為確定科學的施工方案提供理論依據。

1 工程實例

1.1 工程概況

西安至成都鐵路客運專線得利隧道進口段7 837 m，其中DK144+663-DK144+865段為車站進洞加寬段，隧道跨度大、埋深淺；該段長度為202 m，共有4種不同斷面，本次計算選取了DK144+696-DK144+755段59 m的大跨B型V級圍巖斷面（斷面施工圖如圖1所示）。

得利隧道主要巖性為第四系膨脹土、細圓礫土、碎石土、塊石土，變質巖類和花崗巖、閃長巖等巖漿巖，以及分布在斷層帶類的碎裂巖等構造巖。隧道區位于商丹斷裂帶和勉略-巴山弧形斷裂構造帶夾持的南秦嶺構造帶，地質構造復雜，層間褶皺發育。地表水以河水、溝水為主，河道常年流水，雨季水量增加顯著。地下水主要為基巖裂隙巖溶水。隧道區地下水屬于典型的滲入-徑流型循環系統，補給來源主要為大氣降水及地表溝水。

圖1 B型V級圍巖斷面施工圖（單位：mm）Fig.1 Construction drawing for type B grade V section of surrounding rock

1.2 初選施工方法概述

目前，國內大力發展的鐵路客運專線基本上都是一次建成雙線，考慮工程技術作業空間、內部配件空間、安全空間、救援通道以及空氣動力學的影響，隧道斷面面積都在150 m2以上，屬于大斷面隧道。本項目得利隧道進口段屬于超大段面，在選擇隧道施工方法的時候，需要考慮到現有的施工技術水平和隧道的特定形狀，通過洞室形狀確定開挖次序來抑制地層的松動、優化斷面閉合時間。

大斷面隧道的施工大多采用分步法開挖法，主要的施工方法有：上半斷面超前短臺階分步法、中壁工法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、柱洞法、墻洞法等。盡管特大跨度隧道的開挖方法多種多樣，但基本上是經過適當的地層預加固處理后采用雙側壁導坑法、CD或 CRD工法、臺階法或多種工法的組合。其出發點是盡可能借助于輔助施工方法化大為小、先拱后墻或先墻后拱，從而盡快地沿開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結構，再開挖核心土和仰拱。

通過對隧道基本施工方法的研究以及工程實例的調研，結合新奧法在隧道工程施工中的應用與本工程現場實際情況，文中選擇三臺階七步開挖法與雙側壁導坑法進行對比研究。為統一計算，初期支護采用同樣的材料，支護結構詳細參數見表1.

表1 支護結構參數

1.2.1 雙側壁導坑法施工

雙側壁導坑法開挖斷面如圖2所示。

圖2 雙側壁導坑法施工斷面圖Fig.2 Construction drawing for two side-wall pilot tunneling method

如圖2所示，雙側壁導坑法施工每臺階的步距均為3 m，左右導坑間距6 m，橫斷面施工工序為

1） 在必要的情況下施作隧道超前支護；

2）人工風鎬開挖（必要時弱爆破）或者機械開挖①部；

3）施作①部導坑周邊的初期支護和臨時支護，即進行鋼架的架立和橫撐的設立，設洞身錨桿及鎖腳錨管、布置周邊初期支護鋼筋網；然后進行噴射混凝土作業至設計厚度32 cm；

4）人工風鎬開挖（必要時弱爆破）后者機械開挖②部；②部與①部間距離保持在3 m；

5）施作②部導坑周邊的初期支護和臨時支護，即初噴32 cm厚混凝土，進行鋼架的架立和橫撐的設立，并設洞身錨桿及鎖腳錨管、布置周邊初期支護鋼筋網；然后進行噴射混凝土作業至設計厚度；

6） 按順序開挖④、⑤、⑥部并施做導坑周邊的初期支護和臨時支護，施工步驟同上；

7） 開挖⑦部，并架設拱部鋼架，施工初期支護；

8） 按2臺階法施工⑧部、⑨部，導坑底部安設鋼架封閉成環，噴射混凝土至設計厚度；

9） 逐步拆除臨時鋼架；

10） 灌注隧底填充混凝土。

1.2.2 三臺階七步開挖法施工

臺階法開挖斷面如圖3所示。

圖3 臺階法施工斷面圖Fig.3 Construction drawing for bench cut tunneling method

臺階法分部開挖施工每臺階步距為3 m，從一臺階到仰拱處距離為15 m.臺階法分部開挖工況一的施工工序為：三臺階七步法開挖分為上中下3個臺階和仰拱4個部分進行開挖。先開挖上部臺階①部，上部開挖完成后施作上部洞身結構的初期支護，即初噴混凝土，架立鋼架，施作噴錨支護，噴混凝土的厚度為32 cm.上臺階施工至3 m后，開挖中部臺階左側②部，施作左側洞身中臺階結構的初期支護，支護結構同①部。②部施工至3 m后，開挖中部臺階右側③部，施作右側洞身中臺階結構的初期支護。③部施工至3 m后依照②、③部施工方法施做下臺階④、⑤部。然后開挖核心土⑥、⑦、⑧部，并與上中下臺階保留步距3 m.最后開挖仰拱部分⑨，及時進行支護結構的封閉和仰拱的開挖和澆注。臺階長度控制在3 m，相互之間保留一定步距以確保開挖、支護質量及施工安全。確定上下臺階之間并無相互影響之后，可進行上下臺階的同時開挖。

2 數值計算與結果分析

2.1 模型建立

計算以西成客運鐵路專線得利隧道為工程背景實例，針對V級圍巖開挖普遍使用的方法，采用大型通用有限元軟件ANSYS對雙側壁導坑和三臺階七步開挖法施工過程進行數值模擬分析。本次計算中采用了3種單元：用于模擬圍巖的實體單元（Plane 42）；用于模擬噴射混凝土和鋼拱架的梁單元（Beam 3），用于模擬錨桿的桿單元（Link 1）。在計算中考慮了鋼拱架的彎曲剛度，使鋼拱架在隧道開挖后對圍巖起到很好的支護作用。在該模型中，圍巖全部采用實體單元Plane 42，圍巖采用彈塑性DP本構模型，結構采用線彈性本構模型。初期支護模型如圖4所示，計算單元的材料性質見表2.

圖4 初期支護材料模型圖Fig.4 First lining modeling

有限元計算過程中，邊界條件對計算的結果影響較大，為盡可能減小模型中邊界條件對結果產生的不利因素影響，計算模型的長度邊界按照隧道跨度的4倍進行選取，高度邊界按照隧道高度的3倍進行選取。隧道埋深22 m，高度14.5 m，跨度20.7 m，故建立的模型邊界總長為185.66 m，總高為80 m.計算模型的邊界條件：底面為豎向約束，上邊界為自由邊界，左右邊界為橫向約束。

2.2 位移分析

2.2.1 雙側壁導坑法位移分析

由模擬結果可以得出：雙側壁導坑法開挖隧道的位移變形模擬結果如圖5，圖6所示。

表2 計算材料屬性

1） 拱頂沉降比較大，核心土上部開挖時發生的沉降量最大，最終步減去初始位移下的地層沉降后的相對沉降值為6.636 mm，說明拱頂完全失去巖體的支撐之后會發生較大的沉降；

2） 拱頂的水平位移很小，拱腰和拱腳處的水平位移比較大，均向洞內方向發生位移，這是因為拱頂完全失去支撐后，上部荷載完全由開挖形成的拱來承擔，致使拱腰處受到較大的壓力，從而發生向洞內的水平位移；

圖5 雙側壁導坑法Y位移變形圖Fig.5 Y direction displacement deformation for two side-wall pilot tunneling method

3） 在核心土開挖第7步時，拱頂開始產生較大的沉降變形，同時拱底的Y方向位移也主要發生了較大的位移變形，表現為向上起拱，卸載產生的附加應力是上拱的原因。由此可知，核心土上部開挖對隧道各個特征關鍵點的位移影響都較大，所以在隧道開挖的時候應特別注意及時支護。

圖6 雙側壁法分步開挖隧道每步沉降數值Fig.6 Settlement in each step by side-wall method

2.2.2 臺階法位移分析

臺階法開挖隧道的位移變形模擬結果如圖7，圖8所示。

圖7 臺階法Y位移變形圖Fig.7 Y direction displacement deformation for bench cut tunneling method

1） 臺階法施工拱頂沉降比較大，核心土上部開挖時發生的沉降量最大，最終步減去初始位移下的地層沉降后的相對沉降值為7.448 mm，說明拱頂完全失去巖體的支撐之后會發生較大的沉降，且變形幅度比雙側壁導坑法要大0.812 mm，變形較大的部位也比雙側壁導坑法范圍大；臺階法拱腰和拱腳處的沉降量也比雙側壁導坑法拱腰和拱腳處的沉降量大0.872 mm左右，說明臺階法對沉降的控制劣于雙側壁導坑法；

2） 臺階法施工拱底的Y方向位移隨著核心土的開挖緩慢增長，澆注仰拱對拱底變形的控制較為有利，這是因為仰拱結構可以將隧道上部地層壓力通過隧道邊墻結構傳遞到地下，有效地抵抗了隧道下部傳來的地層反力，混凝土澆注之后增加了結構的穩定性。

根據《鐵路隧道施工規范》中雙線隧道初期支護極限相對位移[14]的要求，對50 m以下埋深V級圍巖的隧道拱頂相對下沉量在0.08%～0.16%范圍內，按規范計算本工程的要求為11.6～23.2 mm，由模擬結果可知雙側壁法和臺階法施工都符合規范要求。

經過對比圖6以及圖8可以得知，雙側壁導坑法在側壁開挖的過程中，沉降數值不大，但是在核心土開挖的時候會產生較大的沉降；臺階法在一開始開挖的時候就產生了較大的沉降，之后隨著隧道的開挖，沉降數值緩慢增加。

圖8 臺階法分步開挖隧道每步沉降數值Fig.8 Settlement in each step by bench cut method

2.3 應力分析

2.3.1 等效應力分析

根據雙側壁導坑法等效應力圖（圖9）以及臺階法等效應力圖（圖10），雙側壁導坑法開挖后土體最大應力出現在雙側壁的頂部以及兩側的拱腳位置，最大應力為1.25 MPa，這與支護結構的作用有很大的關系，鋼拱架支撐對隧道的穩定起了很大的作用；臺階法開挖后土體最大應力出現在拱頂正上方中間部位和兩側拱腳位置，最大應力為1.29 MPa.臺階法施工的受力較雙側壁導坑法大，且臺階法受力大的區域范圍也比雙側壁法大。

圖9 雙側壁導坑法等效應力云圖Fig.9 Equivalent stress for two side-wall pilot tunneling method

圖10 臺階法等效應力圖Fig.10 Equivalent stress for bench cut tunneling method

2.3.2 支護結構軸力分析

圖11 雙側壁法軸力圖Fig.11 Axial force for two side-wall pilot tunneling method

圖12 臺階法軸力圖Fig.12 Axial force for bench cut tunneling method

根據兩種不同開挖方法支護結構軸力圖（圖11，圖12），雙側壁導坑法開挖后鋼拱架支撐及噴射混凝土的最大應力出現在左側拱壁的中上部位，最大軸力為198 kN；雙側壁施工過程中，左側開挖的初襯軸力較右側開挖的初襯軸力大，這與開挖步序有很大的關系，說明初次開挖地應力的釋放較大，因此初襯承受了較大的軸力，在施工過程中需要加強監控測量；臺階法開挖后鋼拱架支撐及噴射混凝土的最大應力出現在一臺階拱頂處，最大軸力為186 kN.臺階法施工時需要多加注意一臺階施工時拱頂的變形監測，必要時可加強支護。臺階法鋼拱架受力比雙側壁法鋼拱架支撐及噴射混凝土的受力小11 kN.

2.3.3 錨桿軸力分析

圖13 雙側壁法錨桿軸力圖Fig.13 Bolt axial force for side-wall method

圖14 臺階法錨桿軸力圖Fig.14 Bolt axial force for bench-cut method

根據錨桿的軸力圖（圖13，圖14），雙側壁法開挖后，左側開挖的錨桿軸力最大，最大軸力為25.221 kN，說明初次開挖地應力的釋放較大，此時錨桿承受了較大的拉力，在施工過程中需要加強監控測量；而右側開挖時錨桿的軸力相對較小，說明雙側壁法分步開挖對隧道圍巖的應力應變控制較好。臺階法開挖后錨桿最大的軸力出現在二臺階左側和右側，最大軸力為36.428 kN，說明此時洞壁可能會向洞內產生較大的橫向位移，在施工過程中需要加強測量監測。

3 施工方案的綜合比對

根據兩種施工方案的分析和數值計算結果，兩種施工方案的優缺點進行綜合比對（見表5）。

表5 施工方案綜合比對

從位移計算結果上來看，雙側壁導坑法開挖的沉降數值相對于臺階法分部開挖較小，這是因為雙側壁導坑開挖的施工步序多，多步卸載，確保一次應力釋放不會太大，從而保證圍巖的自身穩定。同時，雙側壁導坑法的臨時橫撐和臨時支撐也對隧道的穩定性起到了非常好的作用。不過，雙側壁法開挖時初期支護的受力與臺階法相比較大，在施作初期支護的時候需要待混凝土達到規范要求的抗壓強度時再進行下一循環的開挖，在施工過程中需要注意。

從數值計算結果上來看，雙側壁導坑法和三臺階七步開挖法均可以對超大斷面隧道的變形起到較好的控制，對變形的控制均處于規范所要求的范圍內。從應力應變上來講，雙側壁法在控制應力應變上比臺階法開挖要好。但是雙側壁導坑法的缺點是開挖工序較多，需要進行橫向臨時支撐和對支撐的破壞性拆除，進度較慢；而且雙側壁導坑法使用耗費的噴射混凝土較多，在拆除的過程中還會對圍巖造成擾動，對臨時支撐結構的拆除需要耗費較多的人力和物力；雙側壁導坑法初期支護受力較大，在開挖的過程中，需要對初期支護多加保護。

綜合數值分析的結果和對隧道工程建設的經濟性、時效性綜合考慮，得利隧道在進行現場施工時，建議采用的施工方案為臺階法分部開挖，施工步距為3 m.這樣既能夠保證隧道在開挖的過程中安全，又能夠保證隧道工程建設的經濟性，最重要的是，臺階法分部開挖是超大斷面隧道掘進方法中，開挖速度較快的一種施工工法，這樣能夠保證隧道按時完工。

4 結 論

運用ANSYS軟件對超大斷面隧道（西成鐵路客運專線得利隧道，斷面積302.52 m2）進行了分步開挖的數值模擬，分析了臺階法施工和雙側壁導坑法施工工況下隧道襯砌的受力和變形情況。數值模擬結果表明

1） 臺階法施工時拱頂沉降值為7.448 mm，比雙側壁導坑法大0.812 mm；臺階法施工時拱腰和拱腳處的沉降量也比雙側壁導坑法大0.872 mm左右；超大斷面隧道臺階法施工對沉降的控制劣于雙側壁導坑法；

2）臺階法開挖后鋼拱架最大軸力為186 kN，比雙側壁導坑法鋼拱架受力小11 kN；而錨桿最大軸力為36.428 kN，比雙側壁導坑法錨桿最大軸力大11.207 kN；

3）雙側壁法開挖時初期支護的受力與臺階法相比較大，在施作初期支護的時候需要待混凝土達到規范要求的抗壓強度時再進行下一循環的開挖，在施工過程中需要詳加注意。施工過程中，必須對隧道拱頂部位加強監控量測，及時支護，保證施工順利；

4）綜合數值分析的結果和對隧道工程建設的經濟性、時效性綜合考慮，建議得利隧道采用臺階法施工方案，施工步距為3 m.

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Numerical simulation of construction method for shallow buried large section tunnel

XI Jia-mi1，WANG Ming-ming1，XU Feng2，JU Long1，ZHU Bin1,WANG Ya-bin1,NING Li-qing1，ZHAO Wang-xi1

（1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.ChinaRailwayBureauGroupThirdEngineeringCo.，Ltd.，Taiyuan030024，China）

The background of this paper is Xian to Chengdu’s railway passenger special line tunnel.For the comparison and optimization of this large cross section tunnel project under different construction method，General FEA software ANSYS is used to simulate and analyze the mechanics and deformation in 2-D.According to the Deli tunnel engineering case，mechanical properties and deformation characteristics for the construction of bench cut method and two side-wall pilot tunnel method have been elaborated.From this simulation，we made the conclusion for different mechanical properties and deformation characteristics in different construction methods.It shows that the strata subsidence caused by two side-wall pilot tunnel method is less than the bench cut method，so it is more safer using two side-wall pilot tunnel method.The key step for bench cut method is the upper excavation，the key step for two side-wall pilot tunnel method is the upper core soil excavation.To guarantee the smooth construction，monitor and support of these key areas must be enhanced and stable controlled in the construction process.

numerical simulation；construction method；two side-wall pilot tunnel method；large section tunnel

2015-05-10 責任編輯：高 佳

陜西省自然科學基金項目（2011JM5002）；陜西省教育廳科研計劃項目（07JK321）

奚家米（1974-），男，安徽蕪湖人，教授，E-mail:xijm@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0513

1672-9315（2015）05-0602-09

TU 93

A