区间隧道扩挖工法数值模拟对比研究

欧予月

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

地铁建设蓬勃发展，截止2020 年初，北京、上海共修建1404km 地铁，并预计在2025 年前新增多条轨道交通线路。为满足人口的增加和区域功能的变化，部分地区需要增设或调整部分站点。地铁隧道扩建，具有断面大、施工时序复杂、围岩易失稳及支护结构易破坏等特点。因此，安全、经济、高效的开挖工法尤为重要。

隧道原位扩建工法研究有许多先例。张正雨[1]等通过调研分析结合数值模拟将原设计的CD 法优化为超前小导管支护下的三台阶施工工法。余顺[2]等通过对单洞3 车道隧道扩建成4 车道隧道扩挖方法进行研究，提出三种开挖工法并做优劣对比。赖勇[3]依托宋家沟1 号隧道，针对渗流作用下既有浅埋偏压隧道的4 种扩建方式进行数值分析研究。谭仪忠[4]依托重庆渝州隧道对扩建施工方案进行研究并提出单侧扩建施工方案。林嗣雄[5]以金鸡山特大断面隧道原位扩建工程为背景，分别对传统中隔壁法扩挖方案和核心五步法扩挖方案进行精细化数值模拟，重点关注围岩压力、支护弯矩和洞身收敛随施工过程的动态变化。丁广[6]以南岭隧道改扩建工程为背景，利用有限元软件对南岭隧道的不同扩挖方法进行分析，研究了不同扩挖方法对隧道围岩位移的影响。本文将依托该扩建隧道工程，对比CD 法、台阶法及全断面法。

1 工程概况

1.1 工程地质及水文环境

拟建场地原为构造剥蚀浅丘沟谷地貌，经钻探勘察，场地内地层主要为第四系全新统(Q4)和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层。第四系覆盖层厚度一般较薄；基岩为砂岩和砂质泥岩互层的陆相碎屑岩沉积建造，含水微弱。砂质泥岩中间存在砂岩夹层，场地内的围岩为砂质泥岩。地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，主要为大气降雨补给。

1.2 开挖工法研究

隧道设计采用CD 法施工，共分4 部。本文将对比CD 法、台阶法及全断面开挖三种开挖方法，依托于该地铁隧道，通过建模计算，最终得出最适合该隧道的施工方法，开挖示意图见图1 所示。

2 隧道开挖模拟

2.1 计算模型及参数

模型采用Midas GTS 建立，左右及垂直计算范围分别取隧道跨度及高度的3 倍，顶面取至地面。隧道围岩本构模型采用摩尔-库伦模型，以考虑围岩的非线性变形，初支结构采用梁单元模拟，参数取钢支撑与混凝土的等效计算参数，锚杆采用植入式桁架单元。CD 法隧道模型如图2 所示，其它两种工法模型相似。

图2 模型网格划分图

模型中岩层、支护结构及混凝土计算参数见表1。

2.2 计算结果分析

2.2.1 隧道支护结构变形

通过数值模拟计算，得到三种工法的拱顶沉降结论：CD 法（5.28mm）＞台阶法(5.22mm)＞全断面法（5.10mm）。结合工程地质情况分析，由于该隧道围岩属于砂质泥岩，岩质完整性较好，全断面开挖法对其围岩扰动次数少，且支护结构闭环及时，因此拱顶变形最小。CD 法由于开挖分部较多，对围岩扰动次数多，耽误隧道支护结构闭环时间，变形相对较大。

隧道底部隆起变形最大位置均位于隧道中线右侧，因为既有隧道开挖时，隧道下部岩土首次经历隆起变形，并达到新平衡状态。现进行扩建，右侧岩土被挖，底部岩土原受压状态发生改变，往临空面变形大于左侧。模拟结果为：台阶法=全断面法(6.20mm)＞CD 法（6.09mm）。支护结构变形分布范围见图3 所示。

2.2.2 支护结构轴力

通过模型计算隧道支护结构轴力，得出隧道采用全断面法开挖时，左右轴力程对称趋势，拱肩处受力最大；采用CD 法施

作者简介：欧予月（1997-），男，汉族，籍贯：四川成都，工程硕士，重庆交通大学建筑与土木工程专业，研究方向：桥隧工程。工，轴力明显不对称，右侧拱腰知拱肩段受拉力；台阶法开挖时，轴力与全断面相似，但其左拱腰处局部受拉。最大轴力为：全断面法＞台阶法＞CD 法，如图4 所示。

表1 模型参数表

图3 支护结构变形分布图

3 结论与建议

本文结合依托工程对原位扩建隧道扩挖工法进行对比分析，通过数值模拟手段计算隧道围岩变形，通过围岩变形规律分析其工法优劣，得到以下结论。

3.1 当围岩状况较好时，采用全断面开挖法对围岩扰动次数最少，支护闭环及时，围岩变形最小，效果最优。

3.2 原位扩建隧道底部隆起最大值位于隧道中线右侧。可能是由于原左侧开挖既有隧道时岩土已经经历隆起变形，并达到平衡状态。右侧岩土层新开挖，应力重分布，导致隆起变形大于左侧。

3.3 全断面开挖时支护结构轴力最大，但其轴力较对称，结构受力状态较好。CD 法虽轴力最小，但其轴力极不对称，支护结构受力复杂。

3.4 三种开挖工法数值模拟计算结果差距不大，变形均较小，对于该依托工程均适用。但全断面开挖法效率高，经济性更优。