浅埋软岩公路隧道开挖方法优化

张 楚

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着经济的发展，我国交通公路的社会需求量越来越高，修建公路隧道成为跨山越岭时的重要方案。山岭隧道受到地形地质条件的影响，地质应力分布多变，支护结构的受力变形以及围岩稳定情况也变得极为复杂[1]。因此，对施工方法进行优化，对于隧道的安全性尤为重要[2]。

1 工程背景

重庆市某高速公路隧道为分离式双向四车道隧道，单洞设计时速80km/h，隧址区属构造侵蚀中低山貌区，隧道纵向基本垂直构造线，产状较稳定，未见次级褶曲和断层，构造简单，山体内地下水含量低。隧道浅埋段围岩主要为页岩，岩质多软弱，以软岩为主，裂隙较发育，强风化带较厚，平均埋深约25m。

隧道净宽12.62m，净高10.32m；根据同类工程的经验结合经济因素考虑，开挖方法拟采用三台阶法和CD法中的一种。通过对两种方法进行数值仿真分析，对比两种方法开挖引起的支护结构位移大小和围岩稳定性，选取更优的施工方法。

2 FLAC3D数值模拟分析

2.1 模型建立

本次模拟的隧道出口Ⅴ级围岩浅埋段平均埋深约为25m，模型建立时，拱顶以上建立25m地层；隧道的左右围岩及隧道底部以下的地层建立25m。隧道的支护结构仅以二次衬砌的参数进行建模计算，并将钢筋混凝土结构简化为均质等厚的环形结构，厚度为0.5m。隧道模拟开挖长度为10.5m，计算长度从最终开挖掌子面向后延伸14.5m，模型总长度为25m。

对于围岩的数值模拟，通常采用摩尔-库伦模型[3]。隧道支护结构材料具有较大的弹性模量，通常采用弹性模型进行模拟[4]。在横断面网格划分为放射状网格，横断面网格划分为约700个，隧道纵向25m均分为25个网格，计算单元总数约为17 500个(图1)。

(a)三台阶法

2.2 模拟方法

本次施工模拟时支护结构仅以二次衬砌的参数进行建模计算。开挖引起的围岩变形主要考虑拱顶及仰拱支护结构的位移，在模型每一开挖进尺支护结构的拱顶及仰拱中心设置位移监控点[5]。

3 计算结果分析

3.1 模拟计算结果

三台阶法和CD法模拟开挖完成时，各监控点的竖向位移分别见表1、表2。

从表1和表2可以看出，三台阶法和CD法开挖完成后最大的拱顶沉降均发生在监测点1，分别为15.60mm、10.40mm；最大的仰拱隆起均发生在监测点8，分别为18.30mm、12.90mm。

表1 三台阶法开挖监控点竖向位移 mm

表2 CD法开挖监控点竖向位移 mm

三台阶法和CD法开挖完成后过监控点1和监控点8横断面的位移云图分别见图2、图3。

图2 三台阶法开挖后过监控点1和监控点8横断面位移云图

3.2 结果分析及施工方案的确定

(1)无论是三台阶法还是CD法开挖，同一个横断面上，开挖引起的仰拱隆起值都大于拱顶沉降值，这符合软岩浅埋隧道的支护结构变形规律。

(2)CD法施工时，先开挖区段支护结构的位移和新挖区段的位移差别较小；而三台阶法施工时先开挖区段支护结构的位移比新挖区段位移有较大差值；这表明CD法开挖后围岩比较稳定，支护结构的后期变形发展小。

图3 CD法开挖后过监控点1和监控点8横断面位移云图

(3)通过位移云图的比较可以发现，CD法施工后围岩的竖向位移从洞周向围岩深处的衰减较快，而三台阶法的围岩位移衰减较慢；这表明CD法开挖后围岩的稳定性更好。

(4)不管是拱顶还是仰拱，在同一个监控点，CD法引起的支护结构竖向位移小于三台阶法，这表明CD法开挖对围岩扰动更小，支护结构的受力更小，开挖更安全。

(5)综上所述，CD法开挖在支护结构安全性和围岩稳定性方面均优于三台阶法，选择CD法作为此高速公路浅埋软岩隧道的开挖方法。

4 结论

通过进行数值模拟，可以发现对于浅埋的软岩隧道，相较于三台阶法，CD法开挖对围岩的扰动更小，施工完成后支护结构的受力更较安全，变形更小且支护变形的后期发展较小；CD法施工完成后，围岩的稳定性更好，发生较大位移的围岩范围更小。

综合开挖的安全性和围岩后期的稳定可以得出结论：CD法比三台阶法更适于浅埋软岩公路隧道的施工。