復雜地質情況下淺埋大跨度連拱隧道施工工法計算分析

陳少兵

（創輝達設計股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

目前城市山嶺隧道遵循的規范有《城市地下道路工程設計規范》（CJJ 221-2015）、《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）及《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）。而針對隧道施工工法設計的規定最詳細的為《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010），細則也僅針對三車道及以下車道隧道的施工工法設計進行規定。雙洞六車道+兩側3m慢行道大跨度連拱隧道相比較于一般雙洞六車道連拱隧道，結構更復雜，施工風險難度更大。為保證施工過程的人生及財產安全，選取經濟合理、可行的是施工工法是大跨度連拱隧道建設發展的需要。

1 工程概況

畈中路一期（趕山路至臨湖路）項目設計標準為城市主干道，時速40km/h，其中來米坡隧道起訖樁號為K1+675～K1+950，隧道長275m。隧道單洞建筑限界15.75m=0.75m（左側檢修道寬度）+0.25m（左側側向寬度）+3.5m（車行道寬度）×2+3.75m（車行道寬度）+0.25m（右側側向寬度）+3.0m（人行道寬度），單洞內輪廓寬度為16.41m。隧道規劃預留紅線寬度為50m，由于受一級保護山體影響，設計采用雙連拱布置形式，整體開挖寬度達38.34m，高度達12.57m，其中復合式中隔墻寬度3.2m[1]。

場內地形地貌較簡單，地質環境未受破壞，場內發育F1、F2斷層及小型褶皺，但無新構造運動的跡象；區內巖性種類不多，主要為強風化炭質硅質板巖和冰磧礫泥巖。區內無不良地質現象，水文地質條件較簡單。隧道圍巖等級均為V級，埋深最大處為44m。

2 施工工法數值模擬

2.1 計算模型

計算模型范圍選取為：上部取至地表，下部取至隧道仰拱以下70m。左右各取50m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。具體如圖1所示。

圖1

計算中，用8節點6面體實體單元模擬圍巖、二次襯砌、中墻，初期支護采用梁單元模擬。錨桿采用植入式行架模擬。噴射混凝土剛度采用按噴混+工字鋼界面劑等效剛度，強度校核時，軸力由鋼拱架和噴射混凝土共同承擔，彎矩僅有鋼拱架承擔。鋼筋網、超前支護及注漿等均作為冗余安全考慮，不計入模型參數。

表1 復合式襯砌參數表

本次計算根據《來米坡隧道工程地質詳勘報告》及《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）對圍巖及不同標號混凝土的物理力學參數取值。詳見下表。

表2 有限元分析材料參數表

2.2 施工步序

《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）對大跨度（指三車道隧道）V級圍巖隧道施工推薦采用分部開挖法，如單側壁導坑法（CD法）、雙側壁導坑法（DCD法）及CRD法。其中DCD法適用于：隧道跨度相對較大、地表沉陷要求嚴格、圍巖條件特別差、CD法難以控制圍巖變形的地段；CRD法適用于：大跨度或特大跨度隧道斷面，特別是軟弱圍巖施工和受力不均的隧道。來米坡隧道圍巖均為V級，單洞開挖跨度達到18.43m，CD法已難達到結構變形及施工安全的要求。DCD每個導坑在不施作臨時仰拱的情況下，臨時支撐工程量與CRD法相當，故本次主要針對造價接近的DCD法（不設臨時仰拱）與CRD法進行比較分析[2-3]。

（1）DCD法施工步序。

圖2 DCD法施工步序圖

具體步驟為：

①中導洞開挖支護及中隔墻澆筑→②左洞左導洞上、下臺階開挖支護→③右洞右導洞上、下臺階開挖支護→④左洞右導洞上、下臺階開挖支護→⑤右洞左導洞上、下臺階開挖支護→⑥左洞中部上、下臺階開挖支護→⑦左洞臨支拆除、澆筑仰拱二襯及模筑拱墻二襯→⑧右洞中部上、下臺階→⑨右洞臨支拆除、澆筑仰拱二襯及模筑拱墻二襯。

（2）CRD法施工步序。

圖3 CRD法施工步序圖

具體步驟為：

①中導洞開挖支護及中隔墻澆筑→②左洞左導洞上臺階開挖支護→③左洞左導洞下臺階開挖支護→④右洞右導洞上臺階開挖支護→⑤右洞右導洞下臺階開挖支護→⑥左洞右導洞上臺階開挖支護→⑦左洞右導洞下臺階開挖及支護→⑧右洞左導洞上臺階開挖支護→⑨右洞左導洞下臺階開挖支護→⑩臨支拆除，一次澆筑仰拱混凝土，模筑二襯混凝土。

2.3 計算結果分析

隧道的施工開挖方法設計時隧道支護結構設計及施工過程中動態設計的重要不符。不同的施工方法及施工順序下，隧道結構與圍巖的受力影響不盡相同，主要表現出隧道支護結構內力與圍巖應力大小以及位移大小的不同[4-5]。

（1）初期支護結構內力。

圖4 DCD法單元彎矩圖

圖5 CRD法單元彎矩圖

從圖中可看出，在DCD法及CRD法工況下，初期支護結構內力不盡相同，具體結果比較分析如下表。

表3 初期支護安全系數計算表

分別對初期支護拱頂、內拱腰、外拱腰三個代表位置進行結構安全系數計算，其結果表明：DCD法施工，結構軸力值明顯小于CRD法施工；兩者彎矩差值較小；DCD法安全系數高于CRD法。

（2）圍巖應力。

圖6 DCD法最大主應力

圖7 CRD法最大主應力

從圖中可以看出：最大主應力值均出現在中隔墻底；采用DCD法施工隧道最大主應力1.7mpa；而采用CRD法施工隧道最大主應力3.0mpa。

（3）位移。

圖8 DCD法豎向位移

圖9 CRD法豎向位移

表4 位移結果比較表

從表中可以看出：不同施工工法下，CRD法豎向位移值基本達到DCD法豎向位移值的2倍；水平位移CRD法位移值也均高出DCD法的50%。

3 結語

通過對來米坡大斷面連拱隧道進行有限元分析計算，復雜地質情況下淺埋大跨度連拱隧道主洞采用DCD法施工，DCD法將隧道分成更多更小的各個導坑，每個導坑開挖斷面縮小，初期支護能及時閉合。支護結構內力、圍巖應力及位移等各方面均優于CRD法。適用于在復雜地質情況下、特大斷面隧或對沉降要求嚴格的隧道施工。