基于數值模擬的淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工工法對比研究

趙原野

中交隧道局第四工程有限公司

基于數值模擬的淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工工法對比研究

趙原野

中交隧道局第四工程有限公司

為了淺埋軟弱圍巖大斷面隧道在施工的時候找到適合的施工方法，以某淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工為主要依托，采取數值模擬的方式，在其中建立淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工的力學模型，通過對隧道新的施工方法以及常用CRD、CD法、三臺階法等施工方式進行深入比較，對動態分部工法施工的優缺點進行比較，并論證這種新的工法在工程施工中應用的可行性。

數值模擬；淺埋軟弱；圍巖大斷面；隧道施工

近年來，我國基礎建設發展迅速，隧道工程朝著大方向、長方向發展，且長隧道及大隧道建設本身就具有很大難度。尤其當長隧道和大隧道遇到淺埋大斷面或軟弱圍巖等情況時，使隧道施工的風險大大加劇[1]。現今，隧道施工使用的主要方法有CRD、CD法以及三臺階法。施工方法的科學與否直接關系到隧道施工的成敗，這也是隧道施工技術人員面臨的主要問題。

一、隧道常用的施工工法以及開挖工序

（一）CRD法

此法的主要施工工序有：對隧道左上1進行開挖，并進行支護；其次，對左中部2進行開挖并進行支護；再次，對左下部、右上部、右中部進行開挖并進行支部；最后對隧道右下部6進行開挖，并對其中的臨時支護進行拆除，施作二次襯砌工作。

（二）CD法

該項工法的主要施工工序有：首先，對隧道左上部1進行開挖并開展支護工作；其次，對隧道左中部2進行開挖，并展開支護工作；第三，對左下部3開展開挖工作；第四，對隧道右上部4進行開挖并展開支護工作；第五，對隧道右中部5開挖并進行支部；第六，對隧道右下部6進行開挖，并進行支護；第七，對臨時支護進行拆除；第八，進行仰拱施工后，進行回填；最后，進行二次襯砌工作。

（三）三臺階法

在利用這個方法時，其主要施工工序有：首先對隧道上臺階1進行開挖并對其開展支護；其次，對隧道中臺階2進行開挖并對其進行支護；再次，對隧道下臺階3進行開挖并開展支護；并對其實施仰拱施工，最后，開展二次襯砌施工[2]。

（四）雙側壁導坑法

主要的施工工序有：首先，對隧道左上導坑進行開挖并進行支護；其次，對左下導坑進行開挖并進行支護；再次，對隧道右上導坑、右下導坑進行開挖并支護；最后對隧道中間上導坑、中間導坑中部以及中間導坑下部進行開挖，拆除其中的臨時支護，并施作二次襯砌。而動態分部開挖工法是將臺階法、CRD法進行充分融合，并將隧道上臺階分為左右兩個部分，將中隔墻設置為直墻。其次，對隧道中臺階進行開挖。最后，對隧道下臺階進行開挖。

（五）動態分部工法

隧道軟弱地層常用的施工方法除了CD法、CRD法以及雙側壁導坑法之外，還有動態分部工法。其核心內容為：先將上臺階分成左、右兩個部分，并將中隔墻由以前的曲墻變為直墻，臨時仰拱及中臺階的中隔墻根據現場地質情況適當增設。該工法各工序間干擾少，操作簡單、安全可靠，適合中、大型機械施工，實現了不均勻地層隧道施工工法的快速、便捷轉換，減少了臨時支護工程量，降低了投入經濟成本，可極大降低工程造價。

二、數值計算分析

（一）計算模型與參數

在模型計算過程中，左右需分別取至隧道中線外40m，模型底部邊界應取隧道底部30m范圍內，上邊界可根據埋深的實際深度取到地表。模型左右邊界的實際設置水平都應受到一定約束，下邊界則需要設置豎向約束，而上邊界不做要求。圍巖應該采用平面單元進行模擬，并對Mohr-Coulomb準則進行服從。在開展初期支護及臨時支護、二次襯砌工作時，都應利用梁單元進行模擬，并按照彈性材料進行模擬。圍巖以及支護結構的材料力學參數都有具體要求。

（二）計算結果與分析

1.地表沉降

選用的施工工法不同，地表產生的最終沉降曲線規律也不同，其中最大沉降位置都是在隧道中線附近，在實際施工中需保持一致。施工工法不同，隧道開挖所引起的地表相同位置出現的沉降大小一般可滿足以下關系：三臺階施工法沉降最大，動態分部施工工法產生的沉降最小，其余工法所產生的沉降在兩者之間。隧道中線具有相等距離時，施工工法不同所產生的地表沉降也呈現出一定的規律。一般來說，三臺階法在開展施工工作時，隧道兩側發生的地表沉降大致相等，兩側也呈現出基本對稱的特點。CD法以及CRD法在進行施工的時候，隧道開挖側的沉降值相比較后開挖側的沉降值較小。而采用動態分部工法以及雙側壁導坑法進行施工，所產生的沉降值剛好與CD法以及CRD法相反。因此，隧道開挖所導致地表出現沉降的規律與隧道施工的開挖時機以及施工工序有著顯著聯系。CD法、CRD法以及雙側壁導坑法要想在施工的時候對應力釋放進行減小，需采用對隧道開挖跨度進行縮小的方式來開展。而三臺階法主要是隧道縱深方向對開挖距離進行縮小而使得應力釋放得到減小。經計算得出，對隧道開挖跨度進行橫向縮小的工法所產生的地表沉降較小。這是因為臨時支護結構自身具有一定剛度，其對圍巖產生的豎向變形進行了約束，并對隧道圍巖變形發展產生了進一步抑制。總的來說，就對地表沉降進行控制的效果來看，動態分部施工在這個過程中的優勢更加明顯。

2.洞內位移

在工法不同的施工條件下，拱頂以及拱腰隨著隧道施工時所采用的工序沉降規律以及收斂規律都有一定差異。不同施工工法，隧道拱頂出現的沉降一般是三臺階法出現的沉降最大，而動態分部施工時所產生的沉降最小，這與地表沉降發生的規律也是一致的。利用動態分部工法進行施工的時候，其產生的拱頂沉降值約達到隧道工法的一半左右，因此，動態分部施工和對隧道橫向跨度進行縮小可使隧道周邊發生的位移情況得到有效限制。

結語

從位移控制效果及其力學特點來看，在工程中實施動態分部工法，可以使得地表變形以及隧道受力狀態被有效控制。在這種條件下，對于淺埋大斷面隧道來說，利用動態分部工法進行施工，所產生的可靠性更高，也可對隧道施工的實際安全進行保證。

[1]陳秋南,王勤榮,謝小魚,李松.扁坦超大斷面小凈距隧道支護結構的力學性狀[J].公路交通科技,2012,09：89-94.

[2]田佳,劉軍,王改鵬.三臺階七步法在大斷面淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中的應用[J].隧道建設,2012,S1：85-89.