魏學(xué)虎，李佳豪，安永林，雷明鋒，蘇光明，周健

（1、中鐵十六局集團路橋工程有限公司 北京101500；2、湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室 湖南湘潭411201；3、中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙410075）

0 前言

目前在隧道大斷面施工中多采用CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖施工，其中張新亮［1］對大斷面隧道CD 法開挖后的圍巖、支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律進行分析研究；趙東平等人［2］對大跨度隧道采用CD 及CRD 法開挖進行分析對比，從隧道初期支護、臨時支護安全性及圍巖位移及塑性區(qū)分布進行分析，并給出二次襯砌距掌子面的合理距離；喻渝等人［3］通過大斷面隧道的受力規(guī)律及塑性區(qū)分布進行分析比較，對多種開挖方法進行三維數(shù)值模擬，給出適合大斷面隧道開挖的施工方法。

而最近幾年中，對CD 施工工法的研究同樣很多，劉杰等人［4］針對CD 法施工工序復(fù)雜等問題，對傳統(tǒng)CD 法進行改進；侯福金等人［5］針對超大斷面隧道，從拱頂沉降、圍巖水平位移、圍巖應(yīng)力等指標(biāo)對不同開挖方法進行比較，得出半步CD 法是3 種工法中最適合的工法。同時就施工方向而言，肖艷霞與袁帥等人［6-8］針對分叉式隧道討論了反向施工的施工方法及優(yōu)越性，但其主要描述相對于傳統(tǒng)大跨段至分叉段的施工順序，采用分叉段至大跨段的施工順序，從施工效率與經(jīng)濟效益等方面進行討論。本文則分析采用CD 法施工時的圍巖位移及圍巖應(yīng)力，建立基于大橫琴山一號隧道大跨段的隧道模型，分析施工對隧道安全性的影響。

1 背景

珠海大橫琴山一號隧道大跨段里程為右線SD1斷面 YK1+166～YK1+222（L=56 m）、SD2 斷面 YK1+222～YK1+295（L=73 m）、SD3斷面YK1+295～YK1+430（L=135 m）；左線 SD1 斷面 ZK1+155～ZK1+203（L=48 m）、SD2 斷面 ZK1+203～ZK1+255（L=52 m）、SD3 斷面ZK1+255～ZK1+370（L=115 m）。其中SD1斷面最大開挖高度達16.32 m，最大開挖寬度為28.23 m，斷面面積大于360 m2，其主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)為花崗巖，圍巖級別為Ⅲ級圍巖，開挖方法為CD法。

本文為研究隧道施工變形與應(yīng)力變化規(guī)律，對SD1斷面反打施工進行模擬，以SD1斷面為模型藍本，建立長度為20 m 的開挖隧道，每步開挖5 m，先正向開挖右半隧道，隨后橫向開挖至左半隧道，再反打完成，其埋深為91 m。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元參數(shù)的選取

本模型采取摩爾-庫倫土體本構(gòu)進行模擬，據(jù)工程地勘說明書，圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖，圍巖級別為Ⅲ級，根據(jù)巖土設(shè)計參數(shù)設(shè)計值，選取表1參數(shù)設(shè)計值。

表1 摩爾-庫倫土體本構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameter of Mohr Coulomb Constituive Model and Support Structure

2.2 模型的建立

使用ABAQUS 軟件建立270 m×20 m×160 m 的三維實體單元模型模擬土體結(jié)構(gòu)；建立6 m 梁單元模型模擬錨桿結(jié)構(gòu)，在隧道起拱線以上設(shè)置錨桿；采用實體單元建立支護結(jié)構(gòu)，根據(jù)SD1 斷面襯砌設(shè)計圖，建立31 cm 初期支護，其內(nèi)嵌工字鋼，以梁單元模擬；建立80 cm 二次襯砌；對土體模型下部邊界的X、Y、Z方向進行約束，對左右邊界的X方向進行約束，對前后邊界的Y方向進行約束，模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。主線與匝道均采用臺階法開挖，開挖過程如圖2所示，開挖步序為右上導(dǎo)洞①→右下導(dǎo)洞②→左上導(dǎo)洞③→左下導(dǎo)洞④，在計算分析步時，設(shè)置土體開挖后，隨后施加初期支護及錨桿，在中隔壁拆除后施加二次襯砌，模擬隧道開挖。［9］

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh Map

圖2 施工步序Fig.2 Construction Step

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移分析

圖3 豎向位移云圖Fig.3 Vertical Displacement Nephogram

隧道開挖主要產(chǎn)生豎向方向的位移，如圖3 所示的豎向位移云圖，以隧道進口端為前方向，隧道出口端為后方向，從中可以看出，在第一步～第四步開挖步，隧道上部的圍巖位移隨著開挖步序，從前往后依次增大；在第五步～第八步開挖步，隧道上部圍巖則整體呈現(xiàn)增大變化；從第九步～第十二步開挖步也可以明顯看出，隧道上部圍巖位移在遠離掌子面的地方較大，在距掌子面較近時較?。辉诓鸪懈舯诤?，其圍巖向下沉降最大達到13.9 mm。

隧道開挖對地表沉降的影響較大，選取隧道前后中線上地表沉降值，繪制隧道開挖各施工步序?qū)Φ乇沓两涤绊懭鐖D4 所示。從圖4中可以看出地表最大沉降量達到4.25 mm，而在第十二步開挖及施加二襯后，隧道沉降量變化較大，這是由于十二步開挖隧道產(chǎn)生臨空面，導(dǎo)致四步開挖地表沉降集中發(fā)生，而在施加二襯時，已拆除中隔壁，這對地表沉降影響較大。

圖4 地表沉降曲線圖Fig.4 Surface Settlement Curve

選取隧道上方特征面觀察其豎向位移隨開挖步序分布，所選取特征面如圖5所示，各開挖步特征面豎向位移如圖6所示。從圖6中可以看出，在第一～第四開挖步中，前步開挖對特征面豎向位移呈扇形影響，不僅對當(dāng)前開挖步上方有影響，對后開挖步上方也有一定的影響；在第五～第八開挖步中，開挖導(dǎo)洞上方的特征面豎向位移則隨著開挖步的進行，其值逐漸增大；在第九～第十二開挖步中，特征面豎向位移呈樹杈形分布，在開挖步上方豎向位移較大，向后開挖步方向位移減??；在第十三～第十六開挖步中，由于中隔壁的存在，中隔壁上方的位移相對較小，向兩邊變大，最后再變小，最終中隔壁拆除后，豎向位移增大。

圖5 特征面位置示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Feature plane Position

圖6 特征面各開挖步豎向位移Fig.6 Vertical Displacement of Each Excavation Step on the Characteristic Surface

3.2 圍巖應(yīng)力分析

在隧道施工時，隨著隧洞的開挖，圍巖應(yīng)力釋放，會發(fā)生周圍土體的應(yīng)力重分布，因此在研究隧道施工后的應(yīng)力分布規(guī)律來判斷應(yīng)力集中區(qū)域，可提出隧道需要檢測的位置，并施加支護來保護隧道結(jié)構(gòu)，防止失穩(wěn)。［10］

圖7 為模型部分進口、出口最大及最小主應(yīng)力云圖，并通過提取云圖中的數(shù)據(jù)列出圍巖應(yīng)力值表（見表2）。如表2 可以看出，左拱腳與左拱腰處的主應(yīng)力絕對值為出口端大于進口端，而右拱腳與右拱腰處的主應(yīng)力值則正相反，證明先開挖部分的圍巖應(yīng)力較后開挖部分的圍巖應(yīng)力大。

圖7 隧道進出口主應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud Chart of Main Stress at Tunnel Entrance and Tunnel Exit

表2 圍巖應(yīng)力值Tab.2 Stress Value of Surrounding Rock

4 結(jié)論

⑴ 從圍巖位移來看，在十二步開挖及中隔壁拆除后，隧道產(chǎn)生臨空面，圍巖位移尤其是拱頂沉降變化較大，因此此時需要對圍巖的穩(wěn)定性加強監(jiān)控，防止圍巖失穩(wěn)。對于隧道上部圍巖位移來說，在第一～第四開挖步中，開挖使其呈扇形分布，在第九～第十二開挖步中，開挖使其呈樹杈形分布，在開挖步上方，豎向位移較大，向后開挖步方向位移減小，此時臨空面處位移最大，需著重監(jiān)控。

⑵ 從圍巖應(yīng)力來看，在拱腳及邊墻處產(chǎn)生應(yīng)力集中，但先后開挖步稍有不同，先開挖部分的圍巖應(yīng)力較后開挖部分的圍巖應(yīng)力大，因此在同一斷面處，其左右圍巖應(yīng)力會因先后開挖而有差距，對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。