甄衛(wèi)剛，劉淑紅，2，王自豪

（1.石家莊鐵道大學(xué) 工程力學(xué)系，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043）

0 引 言

近年來，中國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，受地形條件限制并考慮占地等因素，許多雙車道以上大斷面小凈距公路隧道應(yīng)運(yùn)而生。在大斷面小凈距隧道的施工過程中，常面臨著埋深淺、圍巖穩(wěn)定性差、左右側(cè)隧道的開挖和中間巖體相互影響等問題，因此引起了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。劉艷青等［1］對(duì)中國第一座小凈距并行隧道——招寶山隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬和施工過程監(jiān)測(cè)，得出了地面沉降、洞周收斂等變化規(guī)律。李云鵬等［2］、種健等［3］研究了不同圍巖類別大跨度小凈距隧道的最小凈距。陳斌等［4］研究了小凈距隧道的埋深、凈距和圍巖等級(jí)3個(gè)因素對(duì)隧道幫部和頂?shù)装宓膽?yīng)力及位移的影響。李圍等［5］采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)深圳地鐵7號(hào)線筍崗站－洪湖站區(qū)間的疊線盾構(gòu)隧道下穿廣深鐵路股道施工引起的沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

雖然學(xué)者們?cè)诖罂缍刃艟嗨淼婪矫嫒〉昧艘恍┯袃r(jià)值的研究成果，但由于每項(xiàng)工程都有開挖方法、圍巖類別和埋深等方面的獨(dú)特性，圍巖的變形十分復(fù)雜，仍然存在很多需要解決的問題。本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)石家莊南二環(huán)西延工程V級(jí)圍巖段的某隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺(tái)階法和CD法4種施工方案的隧道拱頂沉降、拱底隆起和地表沉降的變化規(guī)律。

1 工程背景

此公路隧道為雙洞四車道淺埋小凈距隧道，處于V級(jí)圍巖段。左、右線隧道的開挖跨度均是12.25 m，凈高7.9m，兩隧道間凈距14m，初期支護(hù)采用厚28cm的C25早強(qiáng)混凝土，中空注漿錨桿采用Φ25 mm，長度有5m和4m兩種，中隔板采用厚20cm的C25早強(qiáng)混凝土，二襯采用厚60cm的C30鋼筋混凝土。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004），圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

該隧道的設(shè)計(jì)施工方案是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，將此方法與其他常用的開挖方法（CRD法、上下臺(tái)階法和CD法）進(jìn)行對(duì)比分析，以確定最優(yōu)施工方案。各施工方案具體的施工步序如圖1所示，圖中數(shù)字表示土體的開挖順序，每部分土體開挖完，均及時(shí)施加初襯或隔板后，再進(jìn)行下一部分土體的開挖。每種施工方法均采用先左洞、后右洞的施工順序。

2 數(shù)值模型

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬，為消除尺寸效應(yīng)的影響，模型水平方向?yàn)?42m，埋深13.4 m，拱底距底部50m。圍巖和二襯采用plan82單元，錨桿采用link單元，初襯和中隔板采用beam4單元。兩側(cè)和底邊約束法向位移，上邊界自由。劃分單元數(shù)為13 756個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為26 129個(gè)，計(jì)算模型有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、Druker－Prager屈服準(zhǔn)則，根據(jù)施工方案設(shè)置不同的開挖步模擬隧道開挖，每次開挖都考慮35%應(yīng)力釋放；左、右側(cè)隧道開挖完成后分別施加二襯，從而達(dá)到對(duì)隧道施工過程的模擬［6－11］。

圖1 不同施工方案的施工步序

圖2 有限元網(wǎng)格

3 模擬結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、上下臺(tái)階法和CD法4種施工方案的圍巖變形進(jìn)行分析。圖3給出了采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)在自重作用下、第4步開挖完、左側(cè)隧道開挖完、全部開挖完成時(shí)圍巖的豎向位移和全部開挖完成時(shí)圍巖的水平位移云圖。從圖3（a）可以看出，在自重作用下，豎向位移嚴(yán)格地成層狀分布，說明網(wǎng)格劃分比較恰當(dāng)，計(jì)算結(jié)果是正確的。從圖3（b）、（c）、（d）可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，豎直方向的位移在隧道附近變化比較大，拱頂和拱底分別出現(xiàn)沉降和隆起，自重作用下和兩隧道全開挖完成時(shí)，最大的豎向位移分別為23.519mm和25.956mm。從圖3（e）可以看出，兩隧道全部開挖完成后，水平方向位移大致呈反對(duì)稱分布，后開挖隧道的水平位移值影響范圍要大于先開挖隧道，最大水平位移為1.398mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移值。因此本文主要研究隧道拱頂沉降、拱底隆起和地表沉降的豎向變形規(guī)律。將每個(gè)計(jì)算步的位移減去自重下相應(yīng)位置的位移，就可得到不同開挖步引起的位移［12－15］。

圖3 不同開挖步單側(cè)壁導(dǎo)坑法位移云圖

3.1 拱頂沉降和拱底隆起

圖4是4種不同施工方案的左、右側(cè)隧道拱頂沉降和拱底隆起隨開挖步的變化曲線。此時(shí)對(duì)應(yīng)的各開挖步豎向位移為開挖完成且施加了初襯時(shí)的位移。從圖4（a）、（b）中可以看出，臺(tái)階法施工第1步和第3步由于上半部分土體的開挖，分別使左、右側(cè)隧道拱頂產(chǎn)生最大沉降，但隨著第2步和第4步開挖完成，初襯形成完整的結(jié)構(gòu)，拱頂?shù)某两抵惦S之減小，產(chǎn)生所謂的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象。4種施工方案引起左側(cè)隧道拱頂?shù)淖罱K沉降由大到小依次是CD法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。右側(cè)隧道拱頂最終沉降由大到小依次是CD法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。從圖4（c）、（d）中可以看出，臺(tái)階法施工第2步和第4步由于下半部分土體的開挖，分別使左、右側(cè)隧道拱底產(chǎn)生最大隆起，其他3種施工方案引起的最終左、右側(cè)隧道拱底的隆起值基本相同，小于臺(tái)階法施工引起的最終拱底隆起值。CRD法由于有中隔板的約束，開挖斷面較均勻，拱頂沉降和拱底隆起均最小。

圖4 不同開挖步的拱頂沉降和拱底隆起

3.2 地表沉降

圖5是4種不同施工方案下左、右兩隧道開挖完成及施加二襯后的地表沉降。從圖5中可以看出，左、右側(cè)隧道拱頂上方附近形成2個(gè)沉降槽，而且先開挖的左側(cè)隧道拱頂?shù)乇砀浇某两抵敌∮诤箝_挖的右側(cè)隧道拱頂?shù)牡乇砀浇某两抵?。采用不同的施工方案，引起的地表沉降也不同。地表的沉降量從大到小依次為上下臺(tái)階法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。

為了研究后開挖隧道對(duì)先開挖隧道的影響，圖6給出了采用CRD法施工左側(cè)隧道開挖完成和兩隧道全部開挖完成的地表沉降曲線。從圖6中可以看出：左側(cè)隧道開挖完，在左側(cè)隧道拱頂對(duì)應(yīng)的部位有1個(gè)沉降槽；兩隧道全部開挖完成后，左、右兩隧道拱頂對(duì)應(yīng)的位置有2個(gè)沉降槽，右側(cè)的沉降量更大一些；而且受后開挖隧道的影響，左側(cè)的沉降槽位移值比左側(cè)隧道開挖完時(shí)有所增加［16－17］。

圖5 各方案地表沉降曲線

為了研究隧道埋深對(duì)地表沉降槽的影響，圖7給出了CRD法施工埋深分別為13m、22m和30m時(shí)，兩隧道開挖完成及施加二襯后的地表沉降曲線。從圖7中可以看出：當(dāng)隧道的埋深為13m時(shí)，有2個(gè)明顯的沉降槽；當(dāng)隧道的埋深為22m時(shí)，2個(gè)沉降槽就不那么明顯，線形接近1個(gè)沉降槽。在隧道的埋深增大到30m的過程中，地表沉降量也隨之增大，地表沉降槽由2個(gè)完全變成1個(gè)，左側(cè)沉降槽逐漸消失，最終在右側(cè)隧道頂附近形成1個(gè)大的沉降槽。

圖6 CRD法地表沉降曲線

圖7 不同埋深下地表沉降曲線

4 結(jié) 語

（1）開挖過程中，臺(tái)階法施工產(chǎn)生的拱頂沉降最大。隨著隧道開挖支護(hù)的完成，變形最終趨于穩(wěn)定，由4種施工方案引起隧道拱頂沉降由大到小依次是：CD法、上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。上下臺(tái)階法隧道拱底的隆起最大，其他3種方案基本相同。

（2）由4種施工方案引起地表的沉降由大到小依次是：上下臺(tái)階法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法。整體開挖完成后，左右兩隧道拱頂對(duì)應(yīng)的位置有2個(gè)沉降槽，后開挖隧道的沉降量更大一些。

（3）隨著埋深的增加，地表沉降量增大，地表沉降槽由2個(gè)變成1個(gè)，先開挖隧道沉降槽逐漸消失，最終在后開挖隧道頂附近形成1個(gè)大的沉降槽。