超大斷面扁平結構隧道開挖方法數值模擬及優化研究

李 盼

(湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

當隧道的開挖斷面面積超過140 m2、隧道的扁平率(高寬比)在含仰拱時<0.65或在不含仰拱時<0.55且隧道斷面的形狀近似為橢圓形扁平狀時，一般稱為超大斷面扁平結構隧道。隨著我國交通流量和對交通條件需求的日益增長，超大斷面扁平結構公路隧道的建設呈現出逐漸增多趨勢。超大斷面扁平結構公路隧道能有效緩解高密度的交通流量，并提高斷面利用率，逐漸成為未來隧道結構形式的主流[1]。然而，超大斷面扁平結構隧道的受力特性和圍巖應力分布情況較為復雜，隧道在開挖過程中的應力重分布趨于不利，這導致隧道底腳處的應力集中過大，支護結構的承載力較小[2]，從而使得隧道拱頂的穩定性降低，這些問題的產生必然會對超大斷面扁平結構隧道的施工帶來更為嚴峻的考驗。在現階段研究中，黃朱林[3]通過二維彈塑性有限元數值模擬就扁平率對大跨隧道圍巖及支護的穩定性影響進行了分析，得出了扁平率的大小對隧道安全系數的影響機理；范君黎等[4]利用擴展有限元法(XFEM)對不同扁平率隧道的穩定性進行了研究，得出了隧道扁平率的大小與隧道強度、損傷破壞以及裂紋產生的相互關系；熊根貴[5]應用ABAQUS對超大斷面隧道施工開挖方法和分步開挖過程進行了有限元數值分析，得出了隧道的最優開挖工序；瞿東明等[6]應用數值有限元法，對比分析了不同隧道開挖方法下隧道受力以及發生變形大小的差異性，得出超大斷面隧道的安全施工方法。隧道的開挖是一個復雜的系統工程，因此，有必要針對超大斷面扁平結構隧道的開挖施工問題進行數值模擬分析，得出隧道在開挖過程中的受力特性及分布情況，從而提出一種最優的超大斷面扁平結構隧道的開挖方法，為隧道開挖施工提供一定的理論依據。

本文結合某超大斷面扁平結構公路隧道工程，采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立該隧道的三維開挖施工模型，并詳細分析該隧道在3種不同開挖方法下圍巖位移場和應力場的變化，揭示該超大斷面扁平結構隧道的力學特性及位移變化規律，最后通過對比分析，得到該超大斷面扁平結構隧道的最優開挖方法，進而保障隧道的施工安全。

1 工程概況

該公路隧道為溫州市某隧道工程，隧道洞長1360m，開挖高度13.8m，寬度16.5m，洞凈高約6.9m，開挖斷面面積為172m2，扁平率為0.5(不含仰拱)，隧道為上下雙層四心臥式橢圓結構。根據地質測繪、鉆探、槽探資料，該隧道口自地面以下以殘坡積物和全風化基巖為主，風化物為粉質黏土，風化土呈可塑狀；遇水后，強度明顯降低，屬中軟土地基土層，隧道圍巖等級為Ⅲ～Ⅴ級。

2 不同開挖方法及數值模擬分析

2.1 隧道開挖方案

隨著對隧道工程領域研究不斷深入，我國逐步發展形成了一套較為完善的隧道開挖方法理論體系[7]。其中針對超大斷面公路隧道常用的開挖方法主要有臺階法、CD工法、雙側壁導坑法[8-10]等。臺階法工期短、施工方便，但容易產生大變形；雙側壁導坑法對圍巖擾動較小，但工序復雜、成本高。因此，根據該隧道工程的實際特點，提出了雙側壁導坑法結合臺階法的施工方案，并應用MIDAS/GTS軟件對三臺階七步法、雙側壁導坑法和雙側壁導坑法結合臺階法進行對比分析，以尋求最優的開挖施工方案。……