双侧壁导坑法在隧道施工中的应用与研究

钟 涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

0 引言

随着隧道工程技术的进步，深埋长大越岭隧道不断出现，同时也出现了很多工程问题。华南地区山岭隧道进口段围岩级别很差，一般都是Ⅴ级围岩，给施工带来很大危险。文章以粤湘高速公路博罗至深圳段水涧山隧道为研究背景，隧道左线起讫桩号ZK29+471～ZK32+400，长2 929 m，其中Ⅴ级围岩94.3 m，Ⅴ级围岩地段最大埋深18 m，最小埋深14 m。通过对进口采用双侧壁导坑法的一段进行研究，并运用FLAC3D有限差分软件进行模拟分析。

1 双侧壁导坑法开挖的数值模拟分析

1.1 模型计算范围的建立

计算范围:模型上边界至地表，隧道顶部覆土层厚度按16 m选取，下边界到隧道底部取为15.65 m，约为2.5D(D为隧道直径，D=6.35 m)，模型纵向沿隧道轴线长度取为50 m，横向取至距隧道中线两侧各4D，这样整个模型尺寸长为50 m，宽为70 m，高为38 m。选取的模型尺寸足以考虑隧道施工扰动的影响范围。模型的选取:模拟选取空模型实现土方开挖过程的模拟，岩土体材料采用塑性摩尔—库仑模型模拟，预支护、初次衬砌、二次衬砌采用弹性本构模型模拟，变形模式采用大应变变形模式进行计算。

1.2 双侧壁导坑法模型分析

模型的整个部分采用实体单元建模，共划分173 829个实体单元，142 536个实体单元节点，如图1所示。

1.3 计算结果分析

将数值模拟结果与实测结果进行对比，一方面，可以验证数值模拟的正确性;另一方面，通过数值模拟结果可以分析隧道开挖过程中拱顶位移与水平位移的变形规律。

图1 模型立面图

由图2，图3可知，拱顶最大沉降值为22.123 1 mm，隧道两帮的水平收敛位移为6.501 2 mm，从竖直沉降位移历时曲线和水平沉降位移历时曲线也可以看出，随着开挖的不断进行，沉降在不断的增加(见图4，图5)。

图2 双侧壁导坑法竖直位移云图

图3 双侧壁导坑法水平位移云图

2 双侧壁导坑法实测数据回归分析

根据现场监测得到的数据绘出的表格与常用的非线性函数图形进行比较，得到指数模型函数最适合。对此指数函数线性化，方法如下:

式(1)则是式(2)线性化的直线方程，其参数的确定可按线性回归的方法确定。通过Excel回归分析计算后得到:拱顶沉降位移:判定系数:r=0.989 6，截距:lna=3.807 677，则 a=24.961 7;b=1.246 7。得到 u=24.961 7 × e－1.2467/t。ZK29+580 拱顶下沉量测数据的处理与回归分析结果见表1。

图4 隧道拱顶处竖直沉降位移数值模拟时间曲线图

图5 隧道两帮处水平沉降位移数值模拟时间曲线图

表1 ZK29+580拱顶下沉量测数据的处理与回归分析

根据量测数据和选取的回归方程绘制图6。

图6 下沉（U）随时间（T）的变化关系图

1)推算出最终下沉值Umax=30.040 3 mm;

2)推算出基本稳定时间:初测时间为2010年1月11日，预计第15天以后，拱顶累计下沉达24.95 mm，下沉率达83.16%≥80%;下沉速度为0.15 mm/d≤0.2 mm/d，故拱顶下沉基本稳定。

拱腰水平位移:判定系数:r=0.996 0，截距:lna=1.808 677，则 a=6.098 5;b=1.007 3。得到:u=6.098 5 × e－1.0073/t。ZK29+580两帮收敛量测数据的处理与回归分析见表2。

根据量测数据和选取的回归方程绘制图7。

1)推算出最终收敛值Umax=6.904 0 mm;

表2 ZK29+580两帮收敛量测数据的处理与回归分析

2)推算出基本稳定时间:初测时间为2010年1月24日，预计第14天以后，周边收敛累计达6.031 mm，下沉率达87.40%≥80%;下沉速度为 0.03 mm/d≤0.2 mm/d，故围岩基本稳定。

图7 收敛（U）随时间（T）的变化关系图

通过表1，表2可以得出回归分析与监测数据大体相同，但由于回归方程是基于线性关系的数学模型，而具体情况多变，大多是以非线性关系存在，而回归方程是将已有监测数据拟合成线性函数方程，因此通过回归方程得到的数据会和现实监测存在误差，只能预测大概位移变化值。

3 结语

1)对隧道施工过程中的监控量测做了简要分析，并对选取的典型断面得到的监控量测数据做了回归分析，得出双侧壁导坑法的拱顶沉降和两帮收敛值的回归分析结果分别为30.040 3 mm和6.904 mm;

2)对比分析了监测数据与数值模拟结果，得出了模拟值偏小的原因，但是把数值模拟得到的结果进行增大，乘以安全系数1.1～1.2就可以在安全的范围去指导工程实践，用来帮助分析施工前对隧道的围岩稳定性以及周围环境影响的提前可预见性。

［1］邓 江.猫山公路隧道工程技术［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］杨小永.高速公路隧道围岩稳定性研究［D］.西安:长安大学硕士学位论文，2004:101-105.

［3］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［4］王金安，王树仁，冯锦艳，等.岩土工程数值计算方法实用教程［M］.北京:科学出版社，2010.