大横琴山隧道大跨段施工变形受力分析

魏学虎，李佳豪，安永林，雷明锋，苏光明，周健

（1、中铁十六局集团路桥工程有限公司 北京101500；2、湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室 湖南湘潭411201；3、中南大学土木工程学院 长沙410075）

0 前言

目前在隧道大断面施工中多采用CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法进行开挖施工，其中张新亮［1］对大断面隧道CD 法开挖后的围岩、支护结构的稳定性及围岩应力的变化规律进行分析研究；赵东平等人［2］对大跨度隧道采用CD 及CRD 法开挖进行分析对比，从隧道初期支护、临时支护安全性及围岩位移及塑性区分布进行分析，并给出二次衬砌距掌子面的合理距离；喻渝等人［3］通过大断面隧道的受力规律及塑性区分布进行分析比较，对多种开挖方法进行三维数值模拟，给出适合大断面隧道开挖的施工方法。

而最近几年中，对CD 施工工法的研究同样很多，刘杰等人［4］针对CD 法施工工序复杂等问题，对传统CD 法进行改进；侯福金等人［5］针对超大断面隧道，从拱顶沉降、围岩水平位移、围岩应力等指标对不同开挖方法进行比较，得出半步CD 法是3 种工法中最适合的工法。同时就施工方向而言，肖艳霞与袁帅等人［6-8］针对分叉式隧道讨论了反向施工的施工方法及优越性，但其主要描述相对于传统大跨段至分叉段的施工顺序，采用分叉段至大跨段的施工顺序，从施工效率与经济效益等方面进行讨论。本文则分析采用CD 法施工时的围岩位移及围岩应力，建立基于大横琴山一号隧道大跨段的隧道模型，分析施工对隧道安全性的影响。

1 背景

珠海大横琴山一号隧道大跨段里程为右线SD1断面 YK1+166～YK1+222（L=56 m）、SD2 断面 YK1+222～YK1+295（L=73 m）、SD3断面YK1+295～YK1+430（L=135 m）；左线 SD1 断面 ZK1+155～ZK1+203（L=48 m）、SD2 断面 ZK1+203～ZK1+255（L=52 m）、SD3 断面ZK1+255～ZK1+370（L=115 m）。其中SD1断面最大开挖高度达16.32 m，最大开挖宽度为28.23 m，断面面积大于360 m2，其主要地质结构为花岗岩，围岩级别为Ⅲ级围岩，开挖方法为CD法。

本文为研究隧道施工变形与应力变化规律，对SD1断面反打施工进行模拟，以SD1断面为模型蓝本，建立长度为20 m 的开挖隧道，每步开挖5 m，先正向开挖右半隧道，随后横向开挖至左半隧道，再反打完成，其埋深为91 m。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元参数的选取

本模型采取摩尔-库伦土体本构进行模拟，据工程地勘说明书，围岩为中～微风化花岗岩，围岩级别为Ⅲ级，根据岩土设计参数设计值，选取表1参数设计值。

表1 摩尔-库伦土体本构及支护结构参数Tab.1 Parameter of Mohr Coulomb Constituive Model and Support Structure

2.2 模型的建立

使用ABAQUS 软件建立270 m×20 m×160 m 的三维实体单元模型模拟土体结构；建立6 m 梁单元模型模拟锚杆结构，在隧道起拱线以上设置锚杆；采用实体单元建立支护结构，根据SD1 断面衬砌设计图，建立31 cm 初期支护，其内嵌工字钢，以梁单元模拟；建立80 cm 二次衬砌；对土体模型下部边界的X、Y、Z方向进行约束，对左右边界的X方向进行约束，对前后边界的Y方向进行约束，模型网格划分如图1 所示。主线与匝道均采用台阶法开挖，开挖过程如图2所示，开挖步序为右上导洞①→右下导洞②→左上导洞③→左下导洞④，在计算分析步时，设置土体开挖后，随后施加初期支护及锚杆，在中隔壁拆除后施加二次衬砌，模拟隧道开挖。［9］

图1 网格划分Fig.1 Mesh Map

图2 施工步序Fig.2 Construction Step

3 数值模拟结果分析

3.1 位移分析

图3 竖向位移云图Fig.3 Vertical Displacement Nephogram

隧道开挖主要产生竖向方向的位移，如图3 所示的竖向位移云图，以隧道进口端为前方向，隧道出口端为后方向，从中可以看出，在第一步～第四步开挖步，隧道上部的围岩位移随着开挖步序，从前往后依次增大；在第五步～第八步开挖步，隧道上部围岩则整体呈现增大变化；从第九步～第十二步开挖步也可以明显看出，隧道上部围岩位移在远离掌子面的地方较大，在距掌子面较近时较小；在拆除中隔壁后，其围岩向下沉降最大达到13.9 mm。

隧道开挖对地表沉降的影响较大，选取隧道前后中线上地表沉降值，绘制隧道开挖各施工步序对地表沉降影响如图4 所示。从图4中可以看出地表最大沉降量达到4.25 mm，而在第十二步开挖及施加二衬后，隧道沉降量变化较大，这是由于十二步开挖隧道产生临空面，导致四步开挖地表沉降集中发生，而在施加二衬时，已拆除中隔壁，这对地表沉降影响较大。

图4 地表沉降曲线图Fig.4 Surface Settlement Curve

选取隧道上方特征面观察其竖向位移随开挖步序分布，所选取特征面如图5所示，各开挖步特征面竖向位移如图6所示。从图6中可以看出，在第一～第四开挖步中，前步开挖对特征面竖向位移呈扇形影响，不仅对当前开挖步上方有影响，对后开挖步上方也有一定的影响；在第五～第八开挖步中，开挖导洞上方的特征面竖向位移则随着开挖步的进行，其值逐渐增大；在第九～第十二开挖步中，特征面竖向位移呈树杈形分布，在开挖步上方竖向位移较大，向后开挖步方向位移减小；在第十三～第十六开挖步中，由于中隔壁的存在，中隔壁上方的位移相对较小，向两边变大，最后再变小，最终中隔壁拆除后，竖向位移增大。

图5 特征面位置示意图Fig.5 Schematic Diagram of Feature plane Position

图6 特征面各开挖步竖向位移Fig.6 Vertical Displacement of Each Excavation Step on the Characteristic Surface

3.2 围岩应力分析

在隧道施工时，随着隧洞的开挖，围岩应力释放，会发生周围土体的应力重分布，因此在研究隧道施工后的应力分布规律来判断应力集中区域，可提出隧道需要检测的位置，并施加支护来保护隧道结构，防止失稳。［10］

图7 为模型部分进口、出口最大及最小主应力云图，并通过提取云图中的数据列出围岩应力值表（见表2）。如表2 可以看出，左拱脚与左拱腰处的主应力绝对值为出口端大于进口端，而右拱脚与右拱腰处的主应力值则正相反，证明先开挖部分的围岩应力较后开挖部分的围岩应力大。

图7 隧道进出口主应力云图Fig.7 Cloud Chart of Main Stress at Tunnel Entrance and Tunnel Exit

表2 围岩应力值Tab.2 Stress Value of Surrounding Rock

4 结论

⑴ 从围岩位移来看，在十二步开挖及中隔壁拆除后，隧道产生临空面，围岩位移尤其是拱顶沉降变化较大，因此此时需要对围岩的稳定性加强监控，防止围岩失稳。对于隧道上部围岩位移来说，在第一～第四开挖步中，开挖使其呈扇形分布，在第九～第十二开挖步中，开挖使其呈树杈形分布，在开挖步上方，竖向位移较大，向后开挖步方向位移减小，此时临空面处位移最大，需着重监控。

⑵ 从围岩应力来看，在拱脚及边墙处产生应力集中，但先后开挖步稍有不同，先开挖部分的围岩应力较后开挖部分的围岩应力大，因此在同一断面处，其左右围岩应力会因先后开挖而有差距，对隧道稳定性产生影响。