特大跨隧道在双侧壁岛坑法施工下的数值模拟

李海鹏，彭 辉

（1.长沙市市政工程有限责任公司，湖南 长沙 410000；2.中铁第六勘察设计集团有限公司，广东 广州 510030）

1 工程概况

深圳市葵涌环城西路，道路等级为城市快速路，设计速度80 km/h，道路标准宽度24 m，双向六车道。在比亚迪小区西侧设置连拱隧道穿越山体，隧道全长753 m。暗挖隧道浅埋偏压，隧址区洞口段穿越砂性粘质土、全风化花岗岩，洞身段主要穿越全风化、强风化花岗岩层，围岩等级为V 级，开挖跨度达分别达到20 m，属特大跨度隧道。

对K2+040～K2+210 段Ⅴ级围岩浅埋偏压段，衬砌采用二层初期支护+二次衬砌结构。初支系统锚杆采用D25 中空注浆锚杆，L=4.5 m，纵、环向间距50 cm×100 cm 梅花型布置；第一层采用C25 喷射混凝土厚30 cm、I25a 工字钢，纵向间距50 cm，第二层采用C25 喷射混凝土厚20 cm、φ25 格栅钢架，纵向间距50 cm。二次衬砌采用70 cm 厚C35 防水钢筋混凝土。隧道内轮廓见图1。

图1 隧道内轮廓（单位：cm）

2 数值模拟

2.1 模型及边界条件

岩土本构模型：Mohr-Coulomb。

数值模型范围选取为：上部取至地表，下部取至隧道仰拱以下20 m。左右沿左右辅路隧道开挖边界向两侧扩展30 m，模型纵向计算范围30 m 的典型区间。隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，上表面为自由面，前方和后方均有垂直其面的约束[1-2]。

计算中，采用4 面体实体单元模拟围岩，用shell单元模拟初期支护、二次衬砌支护。计算模型中实体单元总数为48 311，总节点数为3 994 个；结构单元总数为4 360 个，总节点数为2 715 个。隧道数值整体模型见图2，衬砌结构模型见图3。

图2 隧道整体数值模型

图3 衬砌结构模型

2.2 开挖模拟

由于本项目二次衬砌主要是作为安全储备作用[3]，本次重点分析右洞分步开挖对左洞初期支护的影响规律，以及右洞开挖对地面沉降的影响规律。

（1）左洞先行施工模拟

隧道整体模型中，左洞先行施工，采用开挖后对模型整体位移清零进行模拟[4]。

（2）右洞浅埋暗挖模拟

对于特大跨的开挖方式及支护工艺，多采用双侧壁导坑法开挖。本次设计吸取双侧壁导坑法成功经验，隧道采用导坑分6 步开挖，左右侧导坑先行，而后开挖中部导坑上台阶，最后开挖中部导坑下台阶，初期支护及时封闭、落底[5]。

双侧壁导坑法用于V 级围岩右线隧道施工，描述如下：一个全断面中分6 个台阶分步开挖，循环开挖进尺按3 m 进行，初期支护紧跟掌子面施工，循环进尺按3 m 进行。左下台阶滞后左上台阶3 m 开挖，右上台阶滞后左下台阶3 m 开挖，右下台阶滞后右上台阶3 m 开挖，中上台阶滞后右下台阶3 m 开挖，中上、中下台阶依次滞后上一台阶3 m 开挖，之后以3 m的循环进尺依次跟进施工，开挖顺序见图4。

图4 双侧壁导坑法开挖顺序

2.3 初支轴力及位移分析

随着隧道施工推进，隧道初期支护轴向应力经历了一个先增大，而后增大幅度逐渐减小，最后轴力趋于稳定的一个变化过程。由于土体偏压作用，暗挖隧道拱顶靠近高填土方一侧的数值较大，左隧道拱顶应力在第最后一步开挖后达到最大值10.6 MPa。左洞初期支护轴向应力云图，见图5～图7。

图5 第1 步开挖支护最大主应力

图6 第8 步开挖支护最大主应力

图7 最后一步开挖支护最大主应力

右洞完成分布开挖后，对左洞周围既有应力会产生二次影响，计算表明左洞隧道拱顶靠近高土方一侧的数值较大，拱顶初期支护最大轴向应力值为10.6 MPa 位于拱顶，最小轴向应力值为5.2 MPa 位于拱腰。

右洞分布开挖完成后，左洞衬砌位移以拱腰处最大为3.57 cm，本隧道考虑了5 cm 的开挖预留变形量，因此说明设计预的留变形量是可以满足要求的。经对左洞初期支护模拟计算，分析整理后得到左洞初期支护计算结果见表1。

表1 计算结果表

2.4 地表沉降及塑性区分析

由于左洞已完成施工，地面主固结沉降已经完成。现模拟右洞，在双侧壁岛坑法下对地表沉降的影响。典型的围岩位移场计算云图见图8～图10。

图8 第1 步开挖土体位移

图9 第5 步开挖土体位移

图10 第12 步开挖土体位移

在模型中设置11 个监测点（以隧道右洞中心线为轴心监测点，两边每隔3 m 各设置一个监测点）。右侧1 号导坑开挖后，在围岩自然坍落拱效应下沉降未传递到地面。右侧2 号导坑开挖后地面沉降基本符合Peck 沉降理论。但是当左侧3 号导坑开挖后+6 m、+9 m 处的沉降反而减小，说明左侧3 号导坑的开挖对1、2 号导坑地面的沉降有卸载回弹效应。3、4 号导坑的开挖并没有在上方围岩产生明显沉降，一方面是由于左洞完全开挖后的地面沉降漏斗内已经发生过一次固结，其次是由于地面偏压效应下，开挖产生的应力释放在偏压侧显现更显著。5 号导坑开挖后，基本呈现双Peck 沉降曲线叠加的曲线图。6 号导坑的开挖加剧了双Peck 沉降曲线。当全断面挖开后，再开挖双Peck 沉降曲线又会逐渐形成标准的Peck 沉降，如从第8 步开挖道第12 步开挖（最终挖通一个模拟段）。隧道施工完毕后，地表土体最大位移1.35 cm 出现于右洞正上方，根据沉降云图变形规律符合Peck 沉降曲线，紧贴拱顶上覆土体最大位移1.7 cm。双侧壁导坑法开挖对地表围岩沉降的影响见图11。

图11 右洞分步开挖地面沉降图

开挖后，隧道边一定范围内的围岩均会出现塑性区，见图12。图12 中蓝色表示围岩没有进入塑性屈服状态，其它非蓝色区域表示围岩在隧道开挖过程前后曾经或者正在进行塑性屈服状态。在隧道施工过程中，选取全断面初支封闭的第6 步开挖，分析可知各个台阶的掌子面前方2～3 m 范围内将出现塑性区。

图12 土体纵向塑性开展分析图

由于FLAC3D 塑性区是按照分割单元显示，我们只需要关注开挖周边的塑性区范围。由监测结果可知，隧道周边围岩塑性区范围基本在3.6～4.6 m 左右，而设计的锚杆长度为4.5 m，可见锚杆能充分发挥作用，锚杆长度设置合理。

3 计算结果分析

本文对大跨径隧洞进行数值模拟（基于FLAC3D），直观而真实地表现了隧道开挖时所产生的初支应力、初支位移、围岩地表位移变化情况，并有以下结论：

对于右洞开挖在左洞初期支护上产生的支护轴向应力规律，双侧壁导坑法和全断面开挖理论规律基本一致。根据有限元模拟的初支总位移可以有效的验证设计预的留变形量留的是否足够。

右洞在双侧壁导坑工法下，地表沉降会出现下导坑较上导坑对地表沉降影响更大的规律。在偏压工况下，开挖对于地面沉降量在大偏压侧较小偏压侧更明显。导坑法对地面沉降会产生peck 曲线的叠加效应，但最终沉降曲线满足peck 沉降理论。通过模拟的塑性区开展范围可以有效验证初支锚杆设计长度是否合理。