复杂围岩大断面浅埋隧道开挖方法的数值分析研究

梁海涛 万 磊 周海昌

(中交一公局第一工程有限公司，北京市 102205)

0 引 言

大断面浅埋隧道是隧道开挖过程中一种较为重要的隧道类型，其特点是开挖受应力情况较为不利.同时隧道开挖中的围岩环境具有复杂性、多样性，为大断面浅埋隧道安全开挖增加很大难度.因此根据围岩的不同情况对大断面浅埋隧道的开挖方法做出合适的调整显得尤为重要.隧道的开挖方法决定着整个隧道的掘进过程中的所受应力位置，在大断面浅埋隧道中更为突出.

对于如何才能有效地解决大断面隧道和浅埋隧道开挖方式问题，在此之前诸多学者进行了相关的研究.汪军鹏等[1]对浅埋隧道采用台阶法、CD法和双侧壁法施工中隧道变形规律进行了探究.兰升元等[2]对Ⅴ类围岩采用双侧壁导坑法、CRD法、CD法和小步距情况下的开挖方式及对应不同类型衬砌展开阐述和评价，并针对典型断面拱顶沉降、断面收敛等工程实测数据进行对比分析探究各施工方法和衬砌形式的适宜性及变形规律性;郑广顺等[3]利用数值模拟对比分析上下台阶法和CD法施工引起的隧道变形及受力特点；叶光耀等[4]运用FLAC软件建立数值计算模型，对CD法、双侧壁导坑法在Ⅳ级围岩条件下隧道中开挖支护后的围岩位移、圈岩应力进行优缺点分析；陶云平[5]分析四方山隧道在软弱围岩下产生变形破坏的机制，从而有针对性地提出了相应的处治措施，并利用数值模拟手段对处治效果进行了全面评价；贾杰南等[6]运用FLAC软件分析了软弱地层条件下连拱隧道CD法和全断面开挖法施工的稳定性.王帅帅等[7]模拟不同净距下均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩隧道施工多种工况，对比分析中岩墙、拱顶上部围岩、仰拱处围岩和边坡的围岩稳定性.张国华等[8]通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作，研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性.

上述学者对隧道大断面隧道和浅埋隧道开挖方式的探究已较为成熟，但对于复杂围岩条件下的大断面浅埋隧道的合理开挖方式选择，还有待进一步研究.本文依托张家口东太平山隧道工程，采用MIDAS GTS/NX数值模拟方法，对CRD法与双侧壁导坑法在V级破碎围岩下的大断面浅埋隧道的变形控制及地表沉降控制效果进行对比，分析两种方法在此工程中的可行性和优缺点.

1 工程概况

东太平山隧道项目位于张家口市区东北部，路线基本走向为东南至西北方向，穿越东太平山路线全长3.060km.东太平山隧道为分离式公路隧道，净宽14.25m，净高5.0m.左线里程桩号K0+820～K1+915，长度1.095km；右线里程桩号K0+760～K+085，长度1.325km.隧道建筑界限及内轮廓设计如图1所示.

图1 隧道建筑界限及内轮廓设计图

该项目位于张家口市桥东区东太平山，属构造剥蚀、侵蚀低山地貌区，隧址区穿越山体地面标高832～922m，相对高差不大，一般为50.0～80.0m.地表以碎石土为主，部分岩石裸露，岩性多为强-中风化安山岩，为硬质岩，岩体较破碎，节理发育，坡度约30°～54°，山坡局部陡峭，地形较简单.地表水系不发育，水量贫乏，植被发育.

本隧道穿越张家口—刁鄂断裂及影响带，该断裂为非全新世活动断裂，沿断裂岩石挤压破碎，扭曲剧烈，局部有定向排列的断层泥.受该断层破碎带影响，该段围岩岩体破碎，硐室稳定性差，易发生失稳及大的坍塌现象.

2 开挖方法数值模拟

2.1 模型数据与模型建立

结合现场勘探实际情况，拟定使用CRD法和双侧壁导坑法两种开挖方法进行对比，运用MIDAS GTS/NX软件进行建模模拟计算和数值分析.模型取YK0+898处破碎段围岩断面为标准断面，模型水平方向、纵向、垂直方向分别取值为X=64m、Y=60m、Z=40m；隧道埋置深度24.6m，左右边界24.9m，使用弹塑性本构模型，德鲁克-普拉格强度准则.计算所用支护和围岩如表1所示.

表1 模型部分物理参数表

(a)CRD法网格模型 (b)双侧壁导坑法网格模型

2.2 计算结果

两种方法的最大竖向沉降如图3所示.

(a)CRD法 (b)双侧壁导坑法

由图可得，CRD法和双侧壁导坑法的最大竖向位移分别为7.29mm和6.95mm.从最大竖向位移来看，两种工法均符合《公路隧道设计规范》[10]，双侧壁导坑法优于CRD法，CRD法相较于双侧壁导坑法最大竖向沉降大5%，总体来看影响权重较小.为更为详细的比较两种工法的优缺点，进一步对两种工法下隧道的拱顶沉降、仰拱隆起、水平收敛以及地表沉降四个方向进行数据可视化.

图4为两种工况的拱顶沉降对比.从图中可得，CRD法的最大拱顶沉降为6.73mm，双侧壁导坑法的最大拱顶沉降为7.23mm，二者相差7.4%，CRD法较优.在隧道在掘进至0～22m区间时，二者相差40%双侧壁导坑更优；在隧道在掘进至22～60m区间时，双侧壁导坑法拱顶沉降值超过CRD法，二者拱顶沉降值变化趋势大致相同，双侧壁导坑法总体相较于CRD法拱顶沉降值大7%.可以看出，在开挖初期CRD法相对于双侧壁导坑法对围岩的扰动更大；主体开挖至21m左右时，隧道拱顶开挖，拱顶沉降加大，随着施工的推进，拱顶支护成型，CRD法与双侧壁导坑法拱顶沉降差值减小.

图5为两种工况的仰拱隆起对比.从图中可得，CRD法的最大仰拱隆起为4.81mm，双侧壁导坑法的最大仰拱隆起为5.94mm，双侧壁导坑法相较于CRD法最大仰拱隆起值大23%.在隧道在掘进至0～32m区间时，双侧壁导坑法总体优于CRD法；在掘进至0～24m区间时，双侧壁导坑法相较于CRD法仰拱隆起值小50%；在掘进至24m时，两者仰拱隆起值趋于相等，为2.04mm；在掘进至24m～32m区间时，双侧壁导坑法相较于CRD法拱顶沉降值小35%；在隧道掘进32m以后，双侧壁导坑法仰拱隆起值超过CRD法，此段二者拱顶沉降值变化趋势大致相同，双侧壁导坑法总体相较于CRD法拱顶沉降值大20%.

图5 仰拱隆起值对比图

图6为两种工况的水平收敛对比.从图中可得，CRD法和双侧壁导坑法的最大水平收敛分别为4.40mm和3.60mm，二者相差22%，图中二者趋势大致相同，水平收敛值双侧壁导坑法总体优于CRD法.

图6 水平收敛值对比图 图7 地表沉降值对比图

图7为两种工况的地表沉降对比.从图中可得，CRD法的最大地表沉降为2.68mm，双侧壁导坑法的最大地表沉降为2.36mm，双侧壁导坑法相较于CRD法最大仰拱隆起值大13.5%.图中二者趋势大致相同，双侧壁导坑法相较于CRD法总体地表沉降小10%，地表沉降值双侧壁导坑法总体优于CRD法.

3 结 论

通过软件中大量的有限元计算，本文对CRD法和双侧壁导坑法在张家口东太平山隧道在竖向沉降、拱顶沉降、仰拱隆起、水平收敛以及地表沉降五个方面进行数值分析，得出以下结论：

(1)从数值角度得出，CRD法和双侧壁导坑法对破碎围岩段大断面浅埋隧道变形控制，对于最大竖向沉降，CRD法和双侧壁导坑法效果接近；对于拱顶沉降，双侧壁导坑法优于CRD法；对于仰拱隆起，双侧壁导坑法前期相较CRD法更优，但CRD法最大拱顶沉降优于双侧壁导坑法；对于水平收敛，两者数值相差较小；对于地表沉降，双侧壁导坑法优于CRD法.

(2)从变化趋势角度得出，CRD法和双侧壁导坑法在水平收敛和地表沉降变化趋势总体相同；在拱顶沉降和仰拱隆起方面，双侧壁导坑法相较于CRD法在施工前期对围岩稳定性上更占优势.

(3)CRD法和双侧壁导坑法的变形控制均符合《公路隧道设计规范》规定，结合以上两条结论和施工安全性、围岩稳定性、变形控制效果、经济效益综合来看，采用双侧壁导坑法更为合适.