特大斷面雙線隧道CRD工法受力變形特性分析

2025-01-31 00:00:00張立銳

科技創新與應用 2025年2期

摘" 要：隨著中國高速公路建設的迅速發展，特大斷面雙洞隧道的建設成為關注焦點。該文基于ABAQUS有限元軟件，對特大斷面雙洞隧道采用CRD工法的動態施工力學行為進行數值模擬分析。研究結果表明，右洞隧道后行開挖對左洞圍巖產生二次擾動和位移疊加，導致圍巖沉降量和影響范圍增大;同時，右洞開挖會影響左洞拱腰區域水平應力和拱腰擴張值，以及拱肩區域水平應力和拱肩收斂值。在先行洞開挖過程中，后行洞開挖釋放地下應力，影響先行洞的支撐結構。研究結果對特大斷面雙洞隧道的施工具有重要指導意義。

關鍵詞：特大斷面隧道;CRD工法;數值模擬;圍巖位移;支撐結構

中圖分類號：U451" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0063-05

Abstract： With the rapid development of highway construction in China， the construction of ultra-large-section double-hole tunnels has become the focus of attention. Based on ABAQUS finite element software， this paper carries out numerical simulation and analysis on the dynamic construction mechanical behavior of a super-large cross-section double-hole tunnel using CRD method. The research results show that the rearward excavation of the right tunnel will cause secondary disturbance and displacement superposition on the surrounding rock of the left tunnel， resulting in an increase in the settlement and influence range of the surrounding rock; at the same time， the excavation of the right tunnel will affect the horizontal stress and the waist expansion value in the waist area of the left tunnel， as well as the horizontal stress and the shoulder convergence value in the shoulder area. During the excavation of the leading tunnel， the excavation of the trailing tunnel releases underground stress， which affects the supporting structure of the leading tunnel. The research results have important guiding significance for the construction of super-large cross-section double-hole tunnels.

Keywords： extra-large-section tunnel; CRD method; numerical simulation; surrounding rock displacement; supporting structure

隨著我國高速公路的迅猛發展，以及隧道工程建設理念的提升和大型施工機械設備的研發和使用，隧道工程建設水平邁上了新的臺階。但近年來復雜地形和地質等不利因素普遍存在于山區高速公路隧道的建設過程中。在洞口淺埋偏壓地段進行暗挖施工時，為了保證施工安全、控制地表沉降、減少洞內變形等，往往會采用交叉中隔壁法（CRD工法）進行施工[1-2]。

宋洋等[3]依托敘畢鐵路某車站隧道，采用現場設計參數，建立有限元模型進行數值模擬，探究CRD工法中臨時支撐拆除前后初期支護力學響應以及形變規律，并分析位移與危險截面應力關系，提出臨時支撐拆除危險性評價標準;白宏達等[4]為了研究無中導連拱隧道先行洞與后行洞之間的最佳縱向間距，以某高速公路隧道無中導連拱隧道段為工程背景，運用有限元數值模擬方法對隧道開挖過程進行了模擬，得到隧道開挖采用臺階法+CRD工法時，無中導連拱隧道先行洞與后行洞之間的最佳縱向間距;劉成虎[5]依托于貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區間隧道工程，對巖溶地區特殊地質環境下隧道CRD工法的適應性進行優化改進;姚紅偉等[6]采用理論分析和現場試驗手段對CRD工法關鍵工序進行優化;汪正斌[7]從施工工序方面評估CRD工法對周邊環境的影響;杜亞江等[8]從施工步序調整及研究斷面選擇方面分析CRD工法對隧道變形的差異;谷拴成等[9]分析了CRD工法各分部開挖時對拱頂沉降和水平收斂變化規律，并取得一定的研究結果。

近年來，特大斷面雙洞隧道施工工法，尤其是CRD工法，得到了廣泛關注和研究。這些研究推動了特大斷面雙洞隧道建設技術的發展。然而，目前關于特大斷面隧道CRD工法先行洞和后行洞相互干擾問題的研究還比較有限。本文通過數值模擬分析了特大斷面隧道CRD工法先后行洞施工的力學特性，研究了其開挖過程中圍巖及支撐結構的受力變形特征。這些研究成果為類似特大斷面隧道的施工提供了重要的指導和借鑒。

1" CRD工法工藝介紹

1.1" 工藝原理介紹

CRD工藝是一種先進的隧道工程施工技術，旨在控制巖石在施工過程中的變形和破壞，以確保隧道的安全和穩定。該工藝結合了巖石力學、地質工程和施工技術，通過科學的方法和合理的支護措施，有效地降低了隧道施工對周圍環境和地表的影響，提高了施工效率和工程質量。

在CRD工藝中，支護設計至關重要。根據巖石力學性質和地應力狀態，設計合理的支護結構，包括錨桿支護、噴射混凝土支護、鋼拱架支護等，以控制巖石的變形和破壞。同時，通過實時監測巖石的變形情況，及時調整支護措施，保證施工的安全和順利進行。通過綜合利用已有信息，可以最大限度地降低隧道施工對周圍環境和地表的影響，保證隧道工程的安全、高效施工。

1.2" 施工工藝介紹

CRD工法施工工序如圖1所示，先行導坑上臺階開挖1→先行導坑上臺階初期支護Ⅱ→后行導坑上臺階開挖3→后行導坑上臺階初期支護Ⅳ→先行導坑下臺階開挖5→先行導坑下臺階初期支護Ⅵ→后行導坑下臺階開挖7→后行導坑下臺階初期支護Ⅷ→仰拱初期支護Ⅸ（臨時支撐拆除）→仰拱澆筑及填充Ⅹ→全斷面二次襯砌Ⅺ。

2" 先后行洞開挖過程數值模擬

2.1" 計算模型建立

根據實際隧道設計方案，建立隧道幾何整體模型尺寸為187 m×125 m×60 m，其中隧道掘進深度取60 m，隧道凈寬為18.5 m，左右洞凈距為38.9 m，數值計算模型如圖2所示。

2.2" 模型參數及邊界條件

根據地質勘察和設計資料，隧道區段所處地層主要為中風化凝灰巖，初期支護和二次襯砌分別采用鋼拱架和C30混凝土。模型中隧道圍巖采用Mohr-Coulomb本構模型，初期支護和二次襯砌采用線彈性模型，錨桿的加固通過提高錨桿作用范圍內圍巖強度參數的15%來實現。具體模型參數見表1。

2.3" 開挖步序

模擬中左洞作為先掘進洞先行開挖，右洞在左洞二次襯砌施做完成后進行開挖，左右洞斷面開挖步序一致，具體如下。

開挖左上導坑1，每次循環開挖進尺為5 m，每個開挖循環后緊跟施做初期支護II。

距離左上導坑掌子面10 m，開挖右上導坑3，每個開挖循環后緊跟施做初期支護IV。

距離右上導坑掌子面50 m，開挖左下導坑5，每個開挖循環后緊跟施做初期支護VI。

距離左下導坑掌子面10 m，開挖右下導坑7，每個開挖循環后緊跟施做初期支護Ⅷ。

當導坑開挖貫通后施做二次襯砌。

3" 數值模擬結果分析

3.1" 圍巖變形分析

3.1.1" 左洞開挖位移分析

結合實際施工情況，左導洞（先行洞）分為“四步開挖法”：左上導洞—右上導洞—左下導洞—右下導洞，其中每步開挖后的圍巖豎向位移如圖3所示。

由圖3可知，左洞圍巖豎向位移總體為拱頂沉降-拱底隆起的現象，拱頂沉降隨著導洞開挖，總體呈現增長的趨勢，隨著左上導洞開挖，圍巖的瞬時豎向位移達至15.06 mm，隨著后續的開挖，圍巖累計豎向位移呈現緩慢上漲，最終最大沉降值為17.40 mm。其原因為：隧道開挖會改變地下巖體的應力狀態，左上導洞的開挖打破了原有的應力體系，圍巖受到了局部瞬時的較大應力變化，導致了瞬時豎向位移最大值的產生。后續隨著支護的及時跟進，穩定了圍巖的變形。

拱底因上方巖體減少和支護作用，產生向上隆起，且在左下導洞開挖完成達到最大值30.01 mm，并在右下導洞開挖完成后，釋放了一定的應力，使得拱底巖體向上隆起的程度出現驟減，為19.29 mm。

3.1.2" 右洞開挖位移分析

圖4展示了右導洞（后行洞）開挖完成后的圍巖豎向位移云圖。從圖4中可以看出，右洞開挖后，圍巖豎向位移的分布發生了變化。在左右洞的拱頂處沉降較大，而在兩洞之間及兩側沉降較小。沿著左右洞的中心線，圍巖呈現出“駝峰”狀的分布。此時，左洞拱頂的最大沉降值為18.53 mm，右洞為18.21 mm，均大于左洞先行開挖時的拱頂最大沉降值。同時，拱底的最大隆起值和地表沉降范圍也有所增大。這主要是由于右洞開挖對先行開挖隧道圍巖造成的二次擾動以及位移的疊加。

3.1.3" 右洞開挖對左洞圍巖位移變化影響分析

為了分析右洞后行開挖對左洞（先行洞）圍巖位移的影響，提取了左右洞在不同開挖階段的拱頂和拱底的豎向位移值，以及左右洞拱肩和拱腰的水平收斂值。然后繪制了圍巖豎向位移和水平收斂的變化曲線圖，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，左洞（先行洞）右上導坑3開挖時，左洞拱頂豎向圍巖出現急劇的豎向位移沉降，沉降值達到16.8 mm，同時拱底快速隆起，隆起值為18.4 mm。隨著初期支護的實施以及后續導坑的開挖，左洞拱頂圍巖的豎向位移逐漸趨于穩定狀態。說明初期支護對隧道拱頂的沉降具有顯著的抑制作用。

進行右洞（后行洞）左上導坑1開挖時，左洞的拱頂豎向圍巖出現了0.8 mm的突發性變形。后續中、下臺階的開挖，左洞拱頂豎向圍巖呈現出緩慢增加后趨于穩定的變形趨勢。其原因是后行洞開挖時，地下應力進行重分布，導致先行洞的拱頂圍巖的應力狀態發生改變，從而產生豎向位移。

后行洞開挖初期，對左洞的應力分布調整效應最為顯著，左洞的拱底隆起出現了1 mm的衰減，后續拱底隆起值的變化規律與拱頂沉降一致，表明先行洞的拱底通常通過支護結構來保持穩定。后行洞的開挖引起周圍地層的變形與應力調整，從而影響支護結構的作用。隨著后行洞的開挖，拱頂圍巖的豎向位移增加，導致原有的支護結構在保持穩定的同時，對拱底圍巖的約束作用減弱，進而減少了拱底的隆起現象。

根據圖6顯示，左洞的拱腰擴張值和拱肩收斂值的變化趨勢與拱頂沉降的趨勢相似，表現為突發性變形，隨后逐漸緩慢增加，最終趨于穩定。右洞（后行洞）的開挖導致左洞的拱腰擴張值減小，同時拱肩的收斂值增加。這表明后行洞的開挖釋放了地下的應力，影響了先行洞拱腰區域的水平應力，導致拱腰的擴張值減少。應力的釋放還導致先行洞的拱肩區域承受更大的水平應力，進而導致拱肩的收斂值增加。

3.2" 支撐結構應力分析

3.2.1" 左洞開挖支撐結構應力分析

支撐結構的應力是隧道工程中至關重要的參數之一。合理的支撐結構設計可以確保支撐結構在承受荷載和外部環境作用下保持穩定，防止結構破壞或失穩，保證施工安全，故在開挖過程中，對支撐結構進行應力模擬預測至關重要。

圖7、8分別為左洞開挖支撐結構應力云圖和左洞開挖中隔墻應力云圖。由圖7可知，隨著左洞（先行洞）的開挖完成，隧道內側（靠近后行洞）部分呈現受拉趨勢，應力最大值為8.81 MPa，其余呈現受壓的力學狀態，應力最大值出現在拱頂處，最大值為9.92 MPa，這種應力狀態是隧道開挖導致的圍巖受力變化所致，而拱頂處由于受到了整個圍巖的壓力，導致壓應力最大，且應力均滿足設計要求。

由圖8可知，CRD工序中隔墻的受力情況呈現中間受拉，二側受壓的趨勢，其原因為在CRD工序中，隔墻的受力情況與其結構和受力機制密切相關。隔墻位于2個巖體塊之間，其作用是分隔這2個巖體塊并承擔由此產生的受力。當巖體塊之間產生相對位移時，隔墻會受到拉力，這一部分主要集中在隔墻的中間部分。同時，由于巖體塊之間的相互擠壓作用，隔墻的兩側會受到壓力。

3.2.2" 右洞開挖支撐結構應力分析

右洞（后行洞）的開挖不可避免會對左洞（先行洞）的支撐結構產生影響，對二者支護結構進行全面應力分析，對全面了解整個隧道工程的受力情況和支撐結構的承載能力至關重要。圖9為右洞（后行洞）開挖完成后的支撐結構應力云圖，圖10為右洞開挖中隔墻應力云圖。從圖中可以觀察到，右洞開挖完成后，二者的支撐結構應力和中隔墻應力分布形態與左洞（先行洞）開挖完成時的應力分布形態呈現一致。

由應力變化量分析可知，右洞開挖完成后整體呈現的應力值要比左洞開挖完成后的應力值大3%，可得右洞開挖對左洞開挖存在一定的影響，但由于雙線隧道之間距離偏大于2倍隧道寬度，影響又較小。

4" 結論

本文基于ABAQUS有限元軟件對特大斷面雙洞隧道采用CRD工法的動態施工力學行為進行數值模擬，分析了左右洞先后開挖過程中的力學特征，得到如下結論：

1）右洞隧道后行開挖引起先行左洞隧道圍巖二次擾動及位移疊加，導致圍巖位移分布形態呈沿左右洞中心線對稱分布，沉降量和沉降影響范圍有所增大;右洞隧道后行開挖，對左洞的應力分布調整效應最為顯著在于右洞隧道上臺階開挖階段。

2）在先行洞開挖過程中，后行洞的開挖導致地下應力釋放，影響了先行洞的拱腰區域水平應力，使得拱腰擴張值減小;同時，先行洞的拱肩區域承受更大水平應力，導致拱肩收斂值增加。

3）左右洞隧道施工過程中，后行洞的開挖對先行洞的支撐結構影響較小，且最大主應力多集中于中隔墻中部。

參考文獻：

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[5] 劉成虎.巖溶地區大斷面淺埋暗挖隧道CRD工法優化研究[J].山西建筑，2023，49（2）：174-177.