磨盤坡隧道開挖方案優化研究

石龍飛 龔貴友

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

在大跨度、大斷面隧道開挖過程中，通常采用臺階法或者分部開挖法這兩種方法及由其演變的開挖方法，即采用分層分塊、逐塊逐段形成隧道設計斷面的開挖方式[1,2]。

1 依托工程概況

隧道總長170m，為短隧道。隧道凈寬：12m（8m車行道，4m人行道），采用拱高7.4m，上圓半徑為6.3m的三心圓曲邊墻結構，端墻式門洞，該隧道為單洞雙向行駛兩車道，設計車速40km/h的三級公路。

2 隧道開挖三維數值模擬分析

本文采用有限元巖土分析軟件MIDAS對磨盤坡隧道不同工法下的開挖過程進行三維數值模擬分析。

2.1 計算模型的物理參數選取

根據《公路隧道設計細則》[3] ，以及本工程實際情況，論文中有限元模型中，采用Ⅴ級圍巖，所用參數如表1所示。

表1 模型計算物理力學指標

大跨度、大斷面隧道的結構特點與受力特性決定了最好采用分步開挖、分部支護的方式，因此選擇單側壁導坑法、三臺階七步開挖法、雙側壁導坑法和上下兩臺階法，分別進行開挖全過程動態數值模擬，有限元計算模型如圖1所示。

圖1 四種有限元計算模型

2.2 計算結果分析

由圖2-圖5可知，如果只單獨考慮隧道施工安全本身，從最直觀的整體結構最大豎向位移和水平位移綜合分析，雙側壁導坑法優于單側壁導坑法優于三臺階七步開挖法優于上下二臺階法，均在磨盤坡隧道拱頂沉降限制值為50mm，預警值為34mm的范圍內，四種工法對應的隧道結構整體豎向、水平位移，關鍵點位水平位移的結果，均滿足要求，在規定范圍內。

3 開挖方案比選

3.1 建立遞階層次的結構模型

對于磨盤坡隧道四種不同開挖方案比選，其總體層次計算如下表2所示。

表2 磨盤坡隧道開挖方案排序

3.2 比選排序并確定最終方案

在以B1施工安全、B2工程質量、B3施工成本、B4施工進度、B5施工技術要求為標準層的條件下，各方案層權重從大到小排序為：上下二臺階法為0.4312，三臺階七步開挖法為0.2163，單側壁導坑法為0.1918，雙側壁導坑法為0.1607。上下二臺階法相對于其他三種開挖方案有巨大優勢，改為洞口淺埋段采用三臺階七步開挖法、隧道深埋段采用上下二臺階法。

4 結論

（1）采用四種不同的工法，隧道拱頂的沉降值均在限制值內，且對應的隧道結構整體豎向、水平位移值和關鍵點位水平位移值，均在規定范圍內。

（2)引用運籌學理論知識里的層次分析法，可得四種工法中上下二臺階法優勢巨大，選用具有代表性的四種不同上下二臺階法進行數值模擬，最決定對磨盤坡隧道采用二臺階新四步開挖法。