大断面浅埋隧道开挖方案优选研究

王朝南

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300459）

在隧道施工过程中，根据环境的不同选择合适的施工开挖方法是十分重要的[1]。隧道开挖作为整个施工工程中的重要工序，开挖方法不仅决定着隧道的施工难度，且严重影响施工安全性和质量[2]。尤其是大断面浅埋隧道工程，开挖工法的重要性尤为突出。

目前，关于大断面浅埋隧道施工方法选择的研究也取得了一定成功。例如，李晶[3]以乌鲁木齐地铁1号线某区间大断面隧道为例，采用数值分析方法模拟了不同施工工法对隧道围岩及地表沉降的影响。许崇帮等[4]采用有限元方法分析了不同施工方法对三车道公路浅埋段隧道围岩应力和位移控制效果。李跃强[5]依托某浅埋偏压大断面公路隧道工程，采用有限差分方法分析了不同开挖工法对隧道洞口边坡稳定性的影响。宋战平等[6]针对小墁坪隧道洞口浅埋偏压段问题，采用数值分析方法模拟分析了台阶开挖施工对速调结构变形及受力的影响。毛红飞[7]针对二级公路隧道洞口超大断面支护形式展开了研究，并提出了一种新的开挖支护方案。李云刚[8]结合某软岩断面浅埋隧道工程，采用数值方法模拟了不同施工方法对围岩变形响应的影响。由于隧道工程所处环境的复杂性和区别，大断面浅埋隧道开挖方法适用性可能不同。在隧道开挖过程当中，不同开挖方法对围岩的扰动影响非常之大，合适开挖方法是隧道开挖稳定基础。结合某大断面浅埋隧道段工程，对该隧道不同开挖施工方法进行模拟分析，确定合适的开挖方法。

1 工程概况

重庆渝黔高速公路扩能工程YQTJ4标段某隧道，左幅长895 m，右幅全长847 m，属于公路工程中距离隧道。隧道设计速度为100 km/h，设计等级是双向六车道高速公路。该隧道进口洞口段处于浅埋段，隧道衬砌内轮廓净宽16.01 m，净高7.95 m。该隧道地层岩性为上覆第四系全新统洪积粘黏土层；下伏侏罗系中统下统自流井组砂岩、三迭系上统须家河组砂岩、页岩，隧道围岩多处于V级围岩中。

2 数值建模

2.1 模型建立

以某隧道50 m长的浅埋段V级破碎带围岩隧道为研究对象，模型长度为50 m，隧道的建筑为马蹄形隧道，限界净宽为17.0 m、净高为11.6 m，隧道埋深30.0 m。因此，取隧道模型宽为5倍隧道净宽，约为90 m，模型高度根据隧道净高及覆土厚度取60 m。隧道初支的是25 cm厚喷射C20混凝土，二次衬砌的是45 cm厚C25模筑混凝土。

（1）采用有限元程序MIDAS进行三维建模分析，按照开挖工法不同，分为全断面法、三台阶法、CD法和双侧壁导坑法，可验证各开挖方法在此工程的适用性，为科学选择开挖方法提供理论依据，不同开挖方法断面如图1所示。

图1 不同开挖方法示意图

（2）隧道的土体从上往下分别为：粉质黏土、强风化砂岩、中风化页岩。不同岩层的厚度分别为5.2 m、38.8 m、16.0 m。根据各模型应力-应变关系，岩层、土层均采取摩尔-库伦模型为本构模型，衬砌结构由于其强度较高，被破坏可能性较小，采用线弹性本构模型。小导管和锚杆由于是植入土体之中，采取植入式桁架模型。全断面法、三台阶法、CD法和双侧壁导坑发的各开挖方法三维计算模型见图2。

图2 各开挖方法三维计算模型

2.2 模拟工况及参数选取

根据工程经验，在Ⅴ级围岩中循环进尺一般为1～2 m。本次12个模拟工况的开挖方法及循环进尺，具体如表1所示。

表1 不同模拟工况的开挖方法及循环进尺

根据隧道地质勘查资料及相关岩土体试验，得到隧道围岩及各模型材料参数设置，如表2所示。

表2 模型不同材料的参数明细

3 结果与分析

3.1 围岩竖向位移分析

隧道开挖引发的围岩位移是评价围岩稳定性的最重要的指标，选取循环进尺1 m为研究对象对比不同开挖方法的稳定性。图3为各开挖方法形成的围岩竖向位移云图。

从图3中可知，各开挖方法形成的围岩竖向位移各不相同，其中全断面法开挖围岩竖向沉降主要发生在拱顶，最大值为3.82 cm，超过了隧道沉降限定值，隆起主要发生在拱底，最大值为1.03 cm；三台阶法竖向沉降最大值为2.82 cm，相比于全断面开挖，沉降值较小，但拱顶沉降范围有所增大，拱底隆起值较小，可见台阶法压底效果明显；CD法开挖竖向沉降主要发生在隧道两侧，拱顶由于中隔墙的支撑作用沉降得到有效控制，沉降最大值为2.44 cm，拱底隆起也较小，中隔墙作用显著；相比于全断面法开挖双侧壁导坑法的沉降值得到了有效控制，仅为1.76 cm，但对拱脚隆起控制影响不大。

3.2 围岩水平位移分析

隧道净空监测作为隧道监测重要内容，一直作为隧道稳定与否的判断依据。因此，对各类开挖方法形成的围岩水平位移分析，进而得出隧道净空的变化量具有极强的现实意义。图4是各开挖方法形成的围岩水平位移云图。由图4可知，CD法开挖、三台阶开挖、双侧壁开挖形成的围岩水平位移趋势一致，均为断面两侧较大，并从拱腰蔓延至地面。其中全断面开挖净空变化值为5.86 cm；三台阶法开挖净空变化值为5.58 cm；CD法开挖形成隧道净空变化值为1.52 cm；双侧壁导坑法的为0.65 cm。

3.3 结构支护内力分析

图3 不同开挖工法的围岩竖向位移云图

图4 不同开挖工法的围岩竖向位移云图

对于隧道支护结构而言，力学上最关心其支护内力的数值，隧道衬砌破坏则主要由剪力及弯矩导致，隧道衬砌承担轴力效果较好，轴力引起隧道破坏可能性不大。四类开挖方法中剪力最大值均出现在拱腰的位置，故对拱腰剪断破坏要格外注意，最小双侧壁导坑法剪力值是12 125 kN/m，最大全断面法剪力值是18 989 kN/m。支护结构弯矩最大值一般常出现在拱顶及拱底位置，亦会导致隧道拱顶、拱底弯曲，引发沉降，四类开挖方法中双侧壁导坑法支护结构弯矩最小，全断面法开挖支护结构弯矩最大（图5～图8）。

图5 全断面开挖的支护内力图

图6 三台阶法开挖的支护内力图

图7 CD法开挖的支护内力图

图8 双侧壁导坑法开挖的支护内力图

3.4 围岩塑性区分析

对不同开挖方法引起围岩塑性形变，从而研究隧道的塌落拱的形成情况，对判断隧道稳定性，围岩是否有坍塌的隐患具有重要价值。图9为各开挖方法的结构支护内力图。

从图9中可知，各开挖方法中全断面开挖塑性区范围比其他范围均大，台阶法、CD法、双侧壁导坑法引起的塑性区范围比全断面法引起的围岩塑性变形要小，全断面法开挖形成的塑性区连贯，可能导致围岩整体强度下降，有整体坍塌的风险。

图9 不同开挖工法的围岩塑性区图

4 结 论

本文对某大断面浅埋隧道开挖工法从不同的角度进行了分析，分析结果表明，全断面法对隧道拱顶沉降、地表沉降和拱底隆起值影响较大，且塑性区连贯具有坍塌风险，不考虑采用全断面法开挖，这也符合规范中的V级不能采用全断面法开挖的要求。三台阶法、CD法、双侧壁导坑法各类稳定性判断依据均满足要求，但考虑到CD法、双侧壁导坑法工法步骤多、开挖工序复杂，不利于施工效率。在保证安全施工的情况下，最终该隧道工程可确定采用三台阶法开挖。