大跨度隧道開挖方案優化研究

石龍飛

摘要：文章以烏尉隧道為工程依托，采用有限元分析軟件MIDAS GTS對隧道開挖過程進行三維數值模擬分析，開展了大跨度、大斷面隧道開挖方案比選、優化研究。研究表明：在采用二臺階新四步開挖法時，選取洞跨最寬分界處的0.68 H作為上臺階高度，選取L=9～12 m范圍內數值作為臺階長度，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：大跨度隧道;三維數值模擬;開挖方案優化

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[1-2]。當隧道采用分部開挖法，雖可有效縮短隧道開挖掌子面暴露時間，對圍巖變形的限制有良好的效果，然而不斷反復加載、減載的臨時荷載，會使圍巖的應力、位移都發生巨大變化。因此在綜合各種影響因素下，選取最適合本工程的大跨度、大斷面隧道施工開挖方案，并對該施工開挖方案進行優化，以縮短建設周期和節省施工成本。

雖然國內外的科研、設計和施工單位都對大跨度、大斷面隧道進行了很多的理論研究和現場實踐，也獲得了較多的科研結果[3-5]，但是對于大跨度、大斷面隧道施工開挖方案的選擇還有許多需要優化的地方。

1 依托工程概況及地質情況

1.1 隧道情況

隧道總長為1 392 m，凈寬為14 m，拱高為7.15 m。該隧道為右線的單向兩車道，設計車速為100 km/h。

1.2 地形地貌與地層巖性

擬建隧道通過構造剝蝕低中山-突出山脊及其側向山丘，地形起伏較大。據地面調查及鉆探揭露，場地出露地層有新生界第四系全新統人工填筑層（Q4 me）、崩坡積層（Q4 c+dl）、沖洪積層（Q4 al+pl）、下石炭統奇爾古思套群（C1qr）。

2 隧道開挖三維數值模擬分析

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS對隧道不同工法下的開挖過程進行三維數值模擬分析。

根據《公路隧道設計細則》[6]，以及本工程實際情況，在有限元模型中，采用Ⅴ級圍巖，所用參數如表1所示。

本文計算模型縱向取160 m，橫向取86 m，下部邊界取距離洞底32 m高度，上部邊界取至地表，如圖1所示。

3 開挖方案優化

3.1 上下二臺階法不同方案比選

本文選取比較有代表意義的傳統上下二臺階法、預留核心土臺階法、二臺階帶仰拱開挖法和二臺階新四步開挖法，對四種上下二臺階法進行數值模擬分析和比選。

3.1.1 四種不同上下二臺階法有限元模型（見圖2）

3.1.2 計算結果分析

如圖3所示，在四種不同工法條件下的隧道拱頂沉降值中，最小的是二臺階帶仰拱開挖法，為11.62 mm，其次是二臺階新四步開挖法，為11.90 mm，再次是傳統二臺階法，為12.54 mm，最后是預留核心土臺階法，為13.16 mm。根據上下二臺階不同方案比選和分析，綜合考慮工期、安全性等因素，決定對隧道采用二臺階新四步開挖法開挖方案。

3.2 二臺階新四步開挖法臺階高度優化

之前比選不同上下二臺階法時，均選取上下臺階分界在洞跨最寬處，距離拱頂7.15 m，占整個洞高7.15/10.52≈0.68 H。現對臺階高度進行優化，分別取臺階高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.7 H、0.75 H進行數值模擬計算，與之前的0.68 H共六組情況進行比選分析。

3.2.1 不同臺階高度有限元模型（見圖4）

3.2.2 不同臺階高度二臺階新四步開挖法結果分析

根據豎向位移圖5～7分析，主要選擇0.6 H～0.7 H這個范圍臺階高度;而在水平位移圖8～9分析中，在確定的這個高度范圍區間內，對水平位移控制最好的是0.7 H，其次是接近的0.68 H，再次是0.65 H。綜合考慮隧道開挖后鋼拱架架設的難易程度和受力情況以及工地現場對鋼拱架加工的難易程度等因素，決定選取上下臺階在洞跨最寬分界處的0.68 H作為二臺階新四步開挖法的上臺階高度。

3.3 二臺階新四步開挖法臺階長度優化

對已選定采用0.68 H臺階高度的二臺階新四步開挖法進行臺階長度優化。在《公路隧道施工技術規范》6.2.2中，對臺階法中臺階長度進行了規定：臺階長度不宜超過隧道開挖寬度的1.5倍。本隧道最大開挖跨度為14 m，因此分別選取臺階長度為3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共計7組進行數值模擬分析。為使計算的差異全部是由于不同臺階長度導致的，所以除7組上下臺階長度不同外，其余變量皆相同。

3.3.1 不同臺階長度有限元模型（見圖10）

3.3.2 不同臺階長度二臺階新四步開挖法結果分析

根據豎向位移圖11～13分析，主要選擇L=6 ～18 m這個范圍臺階長度;而在水平位移圖14～15分析中，為避免“波峰”的出現，盡量避免選擇L=15 m、L=18 m、L=21 m較長臺階長度的開挖工法。豎向、水平位移分析范圍取交集，便是L=6～12 m這個范圍的臺階長度。綜合考慮隧道開挖后為方便大型機械迅速出渣和初支臺車入場架設鋼拱架需要的作業空間，決定選取L=9～12 m這個范圍臺階長度作為二臺階新四臺階長度。

4 結語

（1）由于上下二臺階法演變多樣，選用具有代表性的四種不同的上下二臺階法進行數值模擬。通過對比隧道結構整體豎向位移、水平位移，綜合考慮工期、安全性等因素，決定對烏尉隧道采用二臺階新四步開挖法。

（2）對二臺階新四步開挖法，分別取臺階高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.68 H、0.7 H、0.75 H六組不同臺階高度進行數值模擬，綜合考慮隧道開挖后鋼拱架架設的難易程度和受力情況以及工地現場對鋼拱架加工的難易程度等因素，最終決定選取上下臺階在洞跨最寬分界處的0.68 H作為二臺階新四步開挖法上臺階高度。

（3）對二臺階新四步開挖法，分別取臺階長度3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共7組不同臺階長度進行數值模擬，綜合考慮隧道開挖后為方便大型機械迅速出渣和初支臺車入場架設鋼拱架需要的作業空間，決定選取L=9～12 m這個范圍臺階長度作為二臺階新四步開挖法臺階長度。

參考文獻：

[1]EL-NAHHAS F，EL-KADI F，AHMED A.Interaction of tunnel linings and soft ground[J].Tunnelling & Underground Space Technology，1992，7（1）：33-43.

[2]LOW H Y，HAO H.Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading[J].Structural Safety，2001，23（2）：157-178.

[3]蔣樹屏，胡學兵.云南扁平狀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]孫 翔.四車道公路隧道的施工力學研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[5]宮成兵，張武祥，楊彥民.大斷面單洞四車道公路隧道結構設計與施工方案探討[C].中國土木工程學會年會，2004.

[6]JTG/TD70-2010，公路隧道設計細則[S].