單洞四車道特大斷面隧道V級(jí)圍巖開(kāi)挖工法比對(duì)研究

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.026

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0089-05

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，四車道及以上超大斷面公路隧道不斷涌現(xiàn)。張俊儒等1通過(guò)深入調(diào)研，系統(tǒng)分析了超大斷面公路隧道在斷面形狀、施工工法、施工力學(xué)和支護(hù)參數(shù)等方面的技術(shù)現(xiàn)狀，并指出了研究中存在的缺陷。研究強(qiáng)調(diào)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工機(jī)械化以及結(jié)構(gòu)輕型化將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

劉道平2針對(duì)超大斷面隧道施工中的問(wèn)題指出，這類隧道開(kāi)挖步驟復(fù)雜，單次開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周邊巖石的干擾顯著，進(jìn)而引發(fā)巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的明顯下降。因此，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，必須提出更為嚴(yán)格與精準(zhǔn)的要求，以確保工程安全。該研究統(tǒng)計(jì)了相關(guān)數(shù)據(jù)并分析了理論后，利用數(shù)值模擬對(duì)比實(shí)測(cè)，探討了超大斷面隧道圍巖壓力的時(shí)空分布特性、計(jì)算方法和施工工序優(yōu)化策略。

王哲等[3針對(duì)軟巖隧道的大變形問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。定義了軟巖并進(jìn)行了分級(jí)，分析了大變形的成因、分類和分級(jí)方案，并總結(jié)了相應(yīng)的控制對(duì)策。同時(shí)也指出了當(dāng)前軟巖隧道大變形預(yù)測(cè)和支護(hù)中存在的問(wèn)題，為后續(xù)研究指明了方向。

王明勝等[4-6則通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，對(duì)比分析了三臺(tái)階法臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在控制大變形方面的效果，提出了優(yōu)化工法、提高支護(hù)參數(shù)等綜合處治措施，為實(shí)際施工提供了有益的參考。

大斷面淺埋破碎圍巖隧道因其跨度大、扁平率高、圍巖質(zhì)量差等特點(diǎn)，施工中分步設(shè)置需特別謹(jǐn)慎。分步過(guò)少可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而分步過(guò)多則會(huì)影響施工效率。因此，選擇合理的開(kāi)挖工法對(duì)施工安全和進(jìn)度控制至關(guān)重要。多位學(xué)者采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)CD法、CRD法、三臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等優(yōu)選工法進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)際工程中的工法選擇提供了重要依據(jù)[7-9]。綜上所述，學(xué)者們對(duì)隧道開(kāi)挖方式和沉降變形做了大量研究，但仍需繼續(xù)深入。本文采用數(shù)值模擬研究特大斷面隧道不同開(kāi)挖方式與沉降變形之間的關(guān)系。

1工程概況

該隧道全長(zhǎng)約500m，坐落于西南地區(qū)，設(shè)計(jì)為單線四車道公路隧道。其具有顯著的特大斷面特性，開(kāi)挖斷面高度達(dá)到14.23m，最大開(kāi)挖寬度為 21.9m ，開(kāi)挖斷面積接近246 m² 。隧道采用四心圓的拱形斷面設(shè)計(jì)，隧道穿越地段的圍巖等級(jí)為V級(jí)圍巖，是該線路最重要的標(biāo)志性工程。隧道橫斷面如圖1所示。

2模型參數(shù)設(shè)定

圍巖、噴射混凝土和錨桿的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3模型的建立

采用PLAXIS3D有限元軟件對(duì)隧道典型區(qū)段進(jìn)行模擬分析。由彈性力學(xué)的圣維南原理可知，數(shù)值計(jì)算模型的尺寸一般取 3～8 倍洞跨距離即可消除邊界效應(yīng)，故本模型建模尺寸選取為 120m×40m×100m（x×y×z） x 為水平方向， y 為隧道軸線方向， z 為豎直方向，從 y 軸的正向進(jìn)行開(kāi)挖。隧道仰拱底中心坐標(biāo)為 x=0，y=0 z=-40， ，隧道圍巖單元采用實(shí)體單元，初期支護(hù)采用錨桿 + 噴射混凝土支護(hù)，噴射混凝土厚度為35cm，采用板單元模擬，錨桿采用長(zhǎng) 4m 、直徑25mm的中空錨桿，0.75m×0.8 m布置，采用軟件中的Embedded樁單元進(jìn)行模擬。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

4開(kāi)挖模擬方案

模型隧道開(kāi)挖40m，開(kāi)挖進(jìn)尺控制為每2m一個(gè)循環(huán)，開(kāi)挖后立即初噴混凝土進(jìn)行封閉，對(duì)比分析CD法、CRD法、三臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法四種開(kāi)挖工法，找出隧道開(kāi)挖過(guò)程中豎向總位移和階段豎向位移變化規(guī)律，并繪制豎向總位移和階段豎向位移變化曲線圖，結(jié)合隧道掘進(jìn)步驟云圖，研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中不同開(kāi)挖工法對(duì)豎向總位移和階段豎向位移的影響。4種開(kāi)挖工法的開(kāi)挖工序如圖3至圖6所示。

5計(jì)算結(jié)果分析

本文為分析不同隧道開(kāi)挖進(jìn)尺和不同工法對(duì)隧道沉降的影響，分別繪制不同開(kāi)挖工法時(shí)累積開(kāi)挖進(jìn)尺與隧道豎向位移的曲線圖。同時(shí)，截取 y=24 m處斷面的數(shù)據(jù)制作成表，對(duì)比不同工法條件下該斷面隧道階段豎向位移，并結(jié)合隧道掘進(jìn)階段豎向變形云圖，進(jìn)行工法適用性評(píng)價(jià)。

不同開(kāi)挖工法下豎向位移見(jiàn)圖7至圖10和表2、表3，除在進(jìn)洞、出洞階段，其他階段的豎向變形分布在 2～ 5min 。各種開(kāi)挖工法下隧道圍巖沉降、隆起變形量基本一致，相對(duì)而言，沉降變形是不同工法的主要差異所在。從累計(jì)豎向沉降來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比三臺(tái)階法降低了 21. 1% ，相比CD法降低了 8.4% ，相比CRD法降低了18. 8% 。單獨(dú)看階段豎向沉降，在開(kāi)挖到 y=24 m處，三臺(tái)階法引起的豎向沉降變形量最大，其他三種工法開(kāi)挖引起的沉降變形量相當(dāng)。

5.1三臺(tái)階法開(kāi)挖方式和開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道豎向變形的影響

如圖11所示，三臺(tái)階開(kāi)挖方式下，上臺(tái)階開(kāi)挖后，土體卸荷，使得拱頂沉降和拱底隆起，由于保留了中下臺(tái)階，這部分土體有效限制了周邊區(qū)域的收斂程度；當(dāng)中臺(tái)階完成開(kāi)挖后，雖然拱頂沉降和拱底隆起現(xiàn)象仍在繼續(xù)，中臺(tái)階支護(hù)的完成使其變形減緩，但中臺(tái)階土體卸荷也使得周邊收斂增加；下臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)一步增加了拱頂沉降和拱底隆起，支護(hù)完成后，所有的變形都趨于穩(wěn)定。由于每次劃分的開(kāi)挖斷面最大，一次性卸載土體較多，故而相對(duì)另外三種開(kāi)挖工法而言，三臺(tái)階法的拱頂沉降最大。

5.2CD法開(kāi)挖方式和開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道豎向變形的影響

如圖12所示，CD開(kāi)挖工法下，左上導(dǎo)坑開(kāi)挖后，主要變形在開(kāi)挖處拱頂左側(cè)；左下導(dǎo)坑開(kāi)挖后，左上導(dǎo)坑開(kāi)始初支，左上拱沉降還在繼續(xù)，但速率迅速下降，左拱肩與左拱腳呈現(xiàn)出較為顯著的變形現(xiàn)象，同時(shí)其他各部位也相繼開(kāi)始發(fā)生變形；隨后，當(dāng)右上導(dǎo)坑完成開(kāi)挖后，左下導(dǎo)洞完成封閉，左側(cè)隧道持續(xù)變形，但基本穩(wěn)定，右上拱區(qū)域展現(xiàn)出了最為顯著的沉降變形；在右下導(dǎo)坑開(kāi)挖完成后，右下拱底部位的隆起變形尤為突出，而其余部位的變形則持續(xù)保持著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直至右下導(dǎo)坑開(kāi)挖工作全部結(jié)束，才逐漸趨向穩(wěn)定。在采用CD開(kāi)挖工法時(shí)，左側(cè)導(dǎo)坑的施工作業(yè)是導(dǎo)致隧道拱頂沉降和拱底隆起的關(guān)鍵因素。隨著初期支護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)的施作，這些變形現(xiàn)象得到了顯著的緩解。

5.3CRD法開(kāi)挖方式和開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道豎向變形的影響

如圖13所示，CRD開(kāi)挖工法下，左上導(dǎo)坑開(kāi)挖后，主要變形在開(kāi)挖處拱頂左側(cè)；右上導(dǎo)坑開(kāi)挖后，左上導(dǎo)坑同步初支，左上拱沉降還在繼續(xù)，但速率迅速下降，右上拱沉降變形最大；左下導(dǎo)坑開(kāi)挖后，上半部隧道持續(xù)變形，但基本穩(wěn)定，左拱肩和左拱腳變形較大，其他各部分也相繼開(kāi)始發(fā)生變形；在完成右下導(dǎo)坑的開(kāi)挖后，左下導(dǎo)洞順利封閉，此時(shí)右下拱底區(qū)域的隆起變形表現(xiàn)得最為顯著，其余部位的變形趨勢(shì)在右下導(dǎo)坑開(kāi)挖結(jié)束后，才逐漸趨向穩(wěn)定。在采用CRD開(kāi)挖工法時(shí)，上導(dǎo)坑左側(cè)與右側(cè)的施工作業(yè)是導(dǎo)致隧道拱頂沉降的主要因素，而下導(dǎo)坑左側(cè)與右側(cè)的施工則是引發(fā)拱底隆起的關(guān)鍵原因。

5.4雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖方式和開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道豎向變形的影響

如圖14所示，使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖時(shí)，首先開(kāi)挖左右兩側(cè)導(dǎo)坑，隨著兩側(cè)土體卸荷，兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖的拱頂沉降變形最大，中導(dǎo)坑保留土體聯(lián)合臨時(shí)支撐，起到較強(qiáng)的承上啟下作用，拱頂和仰拱變形較小，也使得周邊其他圍巖失去變形空間；其次開(kāi)挖的中上導(dǎo)坑，挖除了中間上部土體，拱頂沉降開(kāi)始加大，中導(dǎo)坑的上、下銜接部分隆起變形最大；而最后施作的中下導(dǎo)坑，由于之前開(kāi)挖部分已經(jīng)完成初支封閉，變形量逐漸減小，圍巖各部位變形趨于穩(wěn)定，中下導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)除了仰拱中心底部有隆起外，其余部分圍巖變形輕微。