大断面隧道CD法和CRD法施工力学特性分析

2018-05-09张孟帅曾博文范宇航

四川建筑 2018年2期

张孟帅, 曾博文,2, 范宇航

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031; 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

近年来，我国交通隧道建设取得了前所未有的发展，随着隧道施工技术的不断提高，出现了越来越多的大断面隧道。区别于标准断面隧道，大断面隧道是具有扁平形状的拱形结构，开挖后的应力重分布将变差，底脚处的应力集中过大，会出现一系列的力学问题，因此有必要对大断面隧道施工力学进行研究以确保大断面隧道施工过程中的安全性。

许多学者已经对大断面隧道展开了相关研究，如孟伶俐[1]等人建立了大断面隧道三维施工开挖模型，并将数值模型得到的地表沉降与实际地表沉降值进行了分析比较；夏才初[2]等人基于现场监测的数据分析了隧道围岩和支护系统的变形及受力特点；吴张中[3]等人通过等代圆法将侧向扩挖隧道断面简化为双连通域问题，结合复变函数理论推导出了侧向扩挖隧道复应力函数的具体形式；周丁恒[4]等人以国内规模最大的双洞八车道高速公路隧道为背景对不同施工工序下隧道支护体系力学性态进行了监测与分析；旷文涛[5]以武广客运专线浏阳河隧道为工程背景，对浅埋大断面隧道超前预加固工法围岩稳定性影响因素进行了系统研究；李利平[6]等人以兰渝线两水隧道为背景开展了超大断面隧道开挖的大比尺三维模型试验，分析了不同施工过程中隧道围岩受力和变形的三维空间演化规律；郭成龙[7]利用Abaqus软件分析了隧道洞身加宽段双侧壁导坑法与CD法施工下隧道开挖过程中围岩的力学特性。

本文基于有限元软件Ansys，建立三维动态施工模型，分析CD法和CRD法施工对于隧道安全性的影响。

1 大断面隧道力学特性与施工方法研究

大断面隧道的基本划分可参考国际隧道协会给出的断面划分建议(表1)。

与接近圆形的双车道断面比，扁平的拱形结构隧道具有以下特征：

(1) 开挖后的应力重分布变得不利：在土体介质为弹性且处于静水压力场的假设下，通过弹性力学解析解可以求得开挖后坑道周边的最大主应力是初始应力的2倍，而对扁平的大断面隧道而言，开挖后的最大主应力为初始应力的3倍左右，围岩即使有很大的强度也会出现塑性化；

(2) 拱脚处应力集中过大，所要求的地基承载力也较高；

(3) 拱顶的不稳定性增大；

(4) 隧道的高度和宽度越大，产生承载拱所需要的埋深就越大，在埋深较小时会产生较大的松弛压力。

表1 国际隧道协会的断面划分

目前，大断面隧道施工主要是将大断面化为小断面，实施分部开挖。如传统的矿山法中的上半断面超前短台阶法、CD法、双侧壁导坑法、CRD法等(图1)，也有将TBM与矿山法相结合，先利用小断面TBM掘进超前导坑，而后用爆破法进行扩大的方法。

图1 CD及CRD法开挖工序示意

2 计算模型及参数

该四车道高速公路隧道的衬砌结构形式如图2所示。初期支护全环采用C25网喷混凝土，厚度28 cm，内设工20b型钢加强，钢架纵向间距为80 m；二次衬砌为C30钢筋混凝土，厚度为55 cm。隧道处于低山区，自然坡度平缓，植被发育。地层为中风化～弱风化灰岩，埋深15 m，地下水不发育。综合评定围岩等级为Ⅳ、Ⅴ级。

图2 隧道断面

计算所用围岩的屈服准则采取D-P屈服准则，初支和二衬分别为弹性材料，材料具体取值如表2所示；为去除隧道开挖的边界效应，模型长、高分别为160 m、98.15 m，纵向长度取150 m，单步开挖长度为5 m。由于CD法和CRD法唯一的不同点是是否设置临时仰拱，故两个工况可采取同一模型，在激活单元时有所区分便可以实现两种施工方法的模拟；初支采用shell单元，二衬和围岩采用solid单元。模型如图3及图4所示。

表2 材料参数

图3 整体模型示意

图4 局部模型示意

3 计算结果

3.1 地表沉降

隧道掌子面开挖至中部断面、即Z=75 m时，此时隧道整个断面只有1部分开挖，2～4断面分别落后掌子面5 m、10 m、15 m，故地表沉降值非严格沿拱顶地表点对称，由图5可以看出，CRD法横向影响范围共计35.2 m，而CD法的横向影响范围更广，共计38 m，就具体值而言，CRD法产生的地表最大沉降为0.118 mm，CD法较大为0.123 mm。地表沉降值具体如图5所示。

图5 监测断面地表沉降值

3.2 中间断面各测点位移

竖向位移云图如图6及图7所示。监测点位置如图8所示，以隧道中部地表断面为目标面，分别提取A、B两点的竖向位移和C、D两点的横向位移值。结果如图9和图10所示。

图6 CRD法

图7 CD法

图8 监测点布置示意

图9 A、B两点竖向位移曲线

图10 C、D两点横向位移曲线

由图9可以看出，Z=75 m断面拱顶的沉降值以及拱底的隆起值在开挖至此断面前几乎不受影响，开挖经过此断面后，竖向位移不断增大，在距离掌子面45 m后趋于稳定。两种工法产生的位移值CD法略大，拱顶沉降值为1.660 4 mm，仰拱处隆起值为2.263 6 mm，CRD法开挖造成的拱顶沉降值为1.594 3 mm，仰拱处隆起值为2.217 8 mm。

由图10可以看出，Z=75 m断面拱腰收敛值在掌子面到达此段面前几乎不受影响，随后剧烈发展，开挖后短时间内向隧道内收敛，直至二衬施作后拱腰向洞外收敛，在距离掌子面40 m时趋于稳定。两种工法的拱腰收敛位移几乎一致，CD法产生拱腰收敛值约为0.1 mm，CRD法较小，为0.089 mm。

3.3 掌子面挤出位移

由于隧道非全断面开挖，在一个断面位置处可能各部分挤出变形会有微小差异，故在每个部分取一个点，用这四个点的挤出变形的平均值表示该断面的挤出变形值(图11)。结果如图12所示。

图11 挤出变形监测示意

图12 掌子面挤出变形曲线

由图12可以看出，在距离掌子面较远时，挤出位移缓慢发展，当距离掌子面5 m时，变形剧烈发展，CD法最终挤出变形值为0.209 mm，CRD法较小，为0.095 mm。

3.4 二次衬砌内力分析

Ansys中不提供实体单元直接查看其截面弯矩及轴力的功能，此处选取拱顶、拱肩、拱腰、墙角及仰拱中心几个控制点，选取这些位置处的单元并选择单元一侧节点，将一侧节点的节点力在局部坐标系下对单元中心点求矩便得到该截面的弯矩，同样，在局部柱坐标系下对节点力进行矢量相加，其在局部坐标系下的y分量即截面轴力。并通过JTGD 70-2004《公路隧道设计规范》中破损阶段法计算安全系数的方法计算每个截面的安全系数，结果如表3及表4。

由表3及表4可知，CD法和CRD法得到的截面内力中，墙脚处轴力及弯矩最大，这是由隧道截面形式决定的，前已述及扁平大断面隧道墙角会出现较大的应力集中，开挖后的应力重分布状态也较差，所以这也造成了墙角处的安全系数最小，已接近规范中规定的最小值2.0；两种工法下，较CRD法，CD法的截面内力较大，相对的安全系数较小。

表3 CRD法截面内力及安全系数

表4 CD法截面内力及安全系数

4 结论

本文对大断面隧道的力学性质进行了理论分析，并通过有限元建模分析了CD、CRD工法应用于大断面隧道时的力学响应，得到了以下结论：

(1)大断面隧道开挖后墙脚会出现应力集中，应力重分布较差，不宜采用全断面开挖；

(2)大断面隧道施工的核心理念是将大断面分割为小断面，实行分布开挖，及时支护形成闭合的承载圈；

(3)较之CRD法，CD法施工引起的地表沉降、隧道轮廓线周边位移收敛值、掌子面挤出变形、截面内力均要略大于CRD法，主要原因便是CRD法在开挖完成后立即施作初衬、中隔墙及临时仰拱，每一部分的支护均能闭合成环，这对于掌子面的稳定性是至关重要的；就衬砌结构安全性来讲，两种工法均能安全应用于大断面隧道，不过由于墙脚安全系数较低，建议在实际施工中墙脚处采用加强措施，比如安置索脚锚杆、加强墙脚混凝土等级等。

[1] 孟伶俐,孙宾,邓凡.地铁大断面隧道开挖方法选取三维模拟计算分析[J].西部探矿工程,2006(1):152-153.

[2] 夏才初,龚建伍,唐颖,等.大断面小净距公路隧道现场监测分析研究[J].岩石力学与工程学报,2007(1):44-50.

[3] 吴张中,徐光黎,吴立,等.超大断面隧道侧向扩挖施工围岩力学特征研究[J].岩土工程学报,2009,31(2):172-177.

[4] 周丁恒,曹力桥,马永峰,等.四车道特大断面大跨度隧道施工中支护体系力学性态研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(1):140-148.

[5] 旷文涛.超前预加固大断面隧道围岩稳定性影响因素研究[D].成都: 西南交通大学,2010.

[6] 李利平,李术才,赵勇,等.超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形机制与荷载释放演化规律[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):2109-2118.

[7] 郭成龙.复杂地质条件下大断面隧道施工过程优化及研究[D].河南工业大学程程学报,2015(3):112-120.

住房城乡建设部批准《装配式混凝土建筑技术标准》、

《装配式钢结构建筑技术标准》、《装配式木结构建筑技术标准》为国家标准

中华人民共和国住房和城乡建设部公告第1417号批准《装配式木结构建筑技术标准》为国家标准，编号为GB/T51233-2016，自2017年6月1日起实施。

中华人民共和国住房和城乡建设部公告第1418号批准《装配式钢结构建筑技术标准》为国家标准，编号为GB/T51232-2016，自2017年6月1日起实施。

中华人民共和国住房和城乡建设部公告第1419号批准《装配式混凝土建筑技术标准》为国家标准，编号为GB/T51231-2016，自2017年6月1日起实施。