超浅埋超小净距花岗岩隧道中两种开挖工法的受力分析

聂佳佳

(中交一公局华南工程有限公司，广州511300)

1 工程概况

苏州高新区某隧道Ⅳ级围岩占比74%，Ⅴ级围岩占比26%，顶板最大埋深约16 m，左右洞净距6 m，属于超浅埋超小净距隧道。隧道进出口段洞身围岩以黏土、粉质黏土为主，纵向长度约为20～50 m；向洞内延伸到中至微风化花岗岩为主，节理裂隙发育，岩质较硬，围岩自稳能力较好。原设计采用CD法开挖，考虑围岩地质较好，拟采用“三台阶法+钢管桩”工法进行开挖支护。

2 “三台阶法+钢管桩”开挖工艺

本方法的主要工艺要点为将CD 法改成三台阶法施工，同时每台阶开挖后进行初期支护时，将原设计φ42 mm 锁脚锚管变为φ76 mm 锁脚钢管[1]，即在初支钢拱架的拱脚处设置2根斜向下的φ89 mm 钢套管，套管与拱架间采用钢板、螺栓接牢固，再采用潜孔钻机将2 根φ76 mm 锁脚（长4.5 m、斜向下30°～60°）钢管通过钢套管定位后斜向下打入岩体中，经过注浆加固后形成钢拱架-钢管桩锚固体系，再按原方案进行洞身中空锚杆及中夹岩体小导管注浆加固，挂网锚喷后形成稳固的初期支护体系，在保证施工安全的同时，扩大作业空间，提高工效并节约工程造价。

3 地层-结构法有限元分析

3.1 有限元模型的建立

根据施工工艺优化内容，建立原CD 法和“三台阶法+钢管桩”开挖工艺的施工阶段模型，分析新施工工艺是否可行及其与原方案的对比情况。

本次计算取V 级围岩施工为最不利工况，根据工程经验，模型竖向顶部取至地面，底部取至隧道以下3～5 倍隧道高度处，总高约70 m，隧道水平两侧各取3～5 倍隧道宽度，约136 m。最终建立的有限元模型如图1 所示。

图1 开挖整体有限元模型图

本次模拟计算岩土体选用修正莫尔-库伦弹塑性本构模型，单元类型为四边形单元。锚杆单元类型为线单元，采用植入式桁架单元。隧道初支、临时仰拱采用梁单元。边界条件：约束模型两侧施加水平位移；模型底部施加竖向位移约束。

3.2 施工阶段模拟

1）原CD 法数值模拟的工况顺序为：初始地应力场分析→左侧上台阶超前支护→左侧上台阶开挖→左侧上部及中隔壁初期支护→左侧下台阶及仰拱开挖→左侧下台阶、中隔壁及仰拱初期支护→右侧上台阶超前支护→右侧上台阶开挖→右侧上部初期支护→右侧下台阶及仰拱开挖→右侧下台阶及仰拱初期支护→拆除中隔壁→仰拱→二次衬砌。

2）三台阶法开挖施工阶段工况顺序为：初始地应力场分析→上台阶超前支护→上台阶开挖→上部初期支护及锁脚钢管桩施工→左侧中台阶开挖→左侧中台阶初期支护及锁脚钢管桩施工→右侧中台阶开挖→右侧中台阶初期支护及锁脚钢管桩施工→左侧下台阶及仰拱开挖→左侧下台阶初期支护→右侧下台阶及仰拱开挖→右侧下台阶初期支护→仰拱→二次衬砌。

3.3 原CD法开挖计算结果

3.3.1初始地应力场

建立模型初始地应力场，分析结果为模型底部最大竖向应力为1 728 kPa，模型底部最大水平应力为570 kPa，模型高度为70 m，地层平均土重24.7 kN/m3，结果符合实际情况。

3.3.2变形分析

隧道开挖过程中地表沉降及支护结构的变形是重要的监测指标，为了判断数值模拟分析的准确性和可靠性，特提取地表沉降和拱顶沉降数据进行分析。

根据模型计算结果揭示，随着开挖逐步进行，地表沉降和拱顶沉降逐渐增大，地表沉降沿隧道横断面方向呈槽状分布。隧道初支贯通后最大地表沉降为3.1 mm，最大拱顶沉降为4.5 mm；隧道中隔壁拆除后最大地表沉降为4.1 mm，最大拱顶沉降为6.9 mm。

3.3.3安全性评价

提取最不利工况下结构内力进行验算分析，按照破损阶段法验算隧道初支结构的安全系数是否满足规范要求[2，3]。

中隔壁仅为临时支护结构，浇筑仰拱时凿除，故仅对初支的典型位置进行验算（仰拱处于硬岩，内力很小），得出的各特征点的安全系数如表1 所示。

表1 CD法安全系数

经验算，初期支护结构安全系数满足规范要求。

3.4 “三台阶法+钢管桩”开挖计算分析

3.4.1初始地应力场

模型底部最大竖向应力为1 729 kPa，模型底部最大水平应力为570 kPa，模型高度为70 m，地层平均土重24.7 kN/m3，结果符合实际情况。

3.4.2变形分析

根据模型计算结果揭示，随着开挖逐步进行，地表沉降和拱顶沉降逐渐增大，地表沉降沿隧道横断面方向呈槽状分布。隧道贯通后地表沉降及拱顶沉降最大，其中最大地表沉降为10.2 mm，最大拱顶沉降为18.0 mm。

3.4.3安全性评价

验算方法同原CD 法，对典型位置进行验算（仰拱处于硬岩，内力很小），得出的各特征点的安全系数见表2。

表2 “三台阶法+钢管桩”工法安全系数

经验算，初期支护结构安全系数满足规范要求。

4 技术经济性分析

2 种工法经济对比分析如下：

1）CD 法施工的缺点主要为：各断面施工工序间距小，不利于机械化施工；中隔壁及临时仰拱将隧道分为左右上下4部分，机械转场频繁；拆除中隔壁、仰拱施工时，中隔壁长时间悬空，存在较大的安全隐患；中隔壁拆除困难，需要爆破，影响了其他工序；隧道施工时分块越多，开挖时对围岩的扰动次数越多。

2）“三台阶法+钢管桩”施工的优点主要为：在受力角度上，与CD 法的结构受力相比，结构承载能力更高，不存在CD法的交叉点应力集中以及工序转换复杂问题；可以减少临时支撑的施作和拆除工序，节约材料及工程造价；扩大了施工作业空间，利于大型机械操作，利于施工管理和质量控制，加快了施工进度，进一步到达节约造价的目的。

以本工程为例，应用“三台阶法+钢管桩”工艺后，节约清单中原CD 法中隔壁的临时支护分部分项工程费用约390 万元，新增钢管桩及注浆的分部分项工程费用约190 万元，总节约工程造价约260 万元（含其他取费），按双洞260 m 计算，降低工程造价约1 万元/m；同时，施工工效显著提升（三台阶法工效为CD 法2 倍以上），大幅加快了施工进度，确保工期按时完成。

5 结语

基于上述分析可得以下结论：

1）本段隧道洞身及拱顶上覆一定厚度的花岗岩，地层情况相对较好，采用“三台阶法+钢管桩”方案具有可行性。

2）在不考虑爆破振动影响的前提下，原CD 法施工方案引起的拱顶沉降值为4.5 mm，“三台阶法+钢管桩”工法引起的拱顶沉降值为17.0 mm。

3）原CD 法施工方案的初支最大弯矩值为220.6 kN·m，“三台阶法+钢管桩”工法的初支最大弯矩值为33.6 kN·m，原方案的初支弯矩比“三台阶法+钢管桩”工法大，主要原因是中隔壁为弧形，CD 法在开挖完成后中隔壁承受较大的拱顶和仰拱竖向压力，即轴力较大且处于偏压受力状态，偏压受力导致中隔壁发生了很大的弯矩，而不考虑中隔壁，仅对比初支轮廓的内力（不考虑中隔壁与初支轮廓连接节点），则原方案初支弯矩最大值为27.3 kN·m，“三台阶法+钢管桩”工法初支弯矩最大值为33.6 kN·m，两者相差不大，安全系数均可满足规范要求。

4）采用“三台阶法+钢管桩”方案，钢管桩采用76 mm 的钢管注浆，钢管桩刚度大，承受的支撑力大，从而可以有效限制钢架的拱脚位移，原方案锁脚锚杆最大轴力为15.7 kN，而“三台阶法+钢管桩”工法采用钢管桩作为锁脚锚杆，最大轴力可达95 kN。