劉偉

(陜西省公路局，陜西西安 710068)

0 引言

集寧—呼和浩特高速公路旗下營隧道位于內蒙古自治區(qū)察哈爾右翼中旗烏蘭哈葉蘇木，屬大跨軟弱圍巖淺埋隧道。隧道斷面形式為三心圓曲墻式斷面，普通斷面開挖寬度16 m，高12 m，開挖面積約156.6 m2。隧道穿越剝蝕低山丘陵，最大埋深約150 m。隧道區(qū)屬于剝蝕丘陵山地地貌，隧址區(qū)上覆為第四系全新統沖積成因粉土、碎石、卵石、漂石等，下伏基巖為第三系礫巖、砂巖、砂礫巖及砂質泥巖等。隧道圍巖為Ⅴ級，巖質極軟，巖體破碎。在雨水浸潤易軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，無支護時拱部易塌方，側壁易失穩(wěn)。

本文采用ABAQUS有限元軟件，就三臺階七步開挖方法與CD法的全過程進行了數值模擬。通過兩種工藝下地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂情況的對比分析表明，較三臺階七步開挖方法而言，CD法更適合于旗下營隧道的施工。

1 有限元模型

1.1 開挖工藝

三臺階七步法和CD法的開挖工藝如圖1所示。

1.2 有限元模型及參數選取

圖1 施工工藝

本文有限元分析按平面應變問題建立二維模型。為減少模型的邊界效應，選取的模型范圍為:下部取至隧道底部以下60 m，左右面邊界取至隧道外側55 m，上部取至隧道頂部以上20 m。模型的左、右邊界施加水平約束，底邊界施加豎向約束。有限元模型如圖2所示。

數值分析中，地表沉降沿垂直于隧道軸向方向間隔3 m均勻布置1～7共7個測點，其中4號測點位于隧道拱頂正上方。拱頂沉降和周邊收斂測點布置如圖3所示。

模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，圍巖采用實體單元，初期支護采用ABAQUS中具有“追蹤功能”的單元來模擬(通過ELCOPY關鍵字完成)，錨桿加固區(qū)通過等效強度方法實現。圍巖初始力可以通過未開挖前自重應力下提取各單元的應力，然后在模擬過程中將提取的各單元應力文件通過initial conditions關鍵字施加到模型上，從而可以在初始應力平衡下進行開挖模擬。

圖2 有限元模型

圖3 測點布置

模型相關參數如表1所示。

表1 材料參數

2 數值模擬結果

2.1 三臺階七步開挖模擬結果分析

圖4給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的豎向位移云圖。由圖4可知，隧道開挖完成后拱頂左、中、右三個測點的豎向沉降值分別為7.34 mm，7.49 mm和7.38 mm;中間測點的豎向沉降最大，由于隧道對稱開挖，左、右兩測點的沉降值相當。

圖4 豎向位移云圖（一）

圖5給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖5可知，對于周邊收斂，拱腰處水平凈空收斂值約為0.15 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為0.32 mm。

表2給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表2可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點，約為6.17 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。

表2 地表沉降(一)

2.2 CD法開挖模擬結果分析

圖6給出了隧道CD法開挖完成后豎向位移云圖。由圖6可知，隧道開挖完成后拱頂左測點的最終豎向沉降值約為6.14 mm，中間測點的最終豎向沉降值約為6.52 mm，右測點的最終豎向沉降值約為6.33 mm。

圖5 橫向位移云圖（一）

圖6 豎向位移云圖（二）

圖7給出了隧道CD法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖7可知，對于周邊收斂處拱腰水平凈空收斂值約為0.33 mm，邊墻處水平凈空收斂值約為2.88 mm。

圖7 橫向位移云圖（二）

表3給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表3可知，地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點，約為5.12 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。

表3 地表沉降(二)

2.3 兩種施工工藝的對比分析

由以上兩節(jié)分析可知，較三臺階七步法而言，采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值較大。

將表2和表3所得結果繪于圖8。由圖8可知，兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方4號測點，左、右測點地表沉降值基本上對稱于測點4分布。較三臺階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。

圖8 地表沉降

3 結語

以集呼高速旗下營隧道為工程背景，采用有限元軟件得到了CD法和三臺階七步法兩種開挖方案的數值結果。通過拱頂位移、水平凈空收斂以及地表沉降值的分析對比，得到了一些有益結論。

采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小，但水平凈空收斂值略大。兩種施工工藝下隧道開挖完成后，地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方，左、右測點地表沉降值基本上對稱于隧道中心線分布;較三臺階七步開挖方法而言，CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。綜合分析可知大跨度軟巖隧道淺埋區(qū)采用CD法開挖對隧道的穩(wěn)定性更加有利可靠。

［1］ 王 志.大跨度公路隧道淺埋段設計施工方案研究［J］.山西建筑，2011，37(18)：161-162.