摘要：本文以保證施工安全、保護地表環(huán)境、節(jié)能減排為原則，基于ABAQUS有限元軟件建立超淺埋大跨度隧道臺階法、CD法、CRD法三種不同開挖方式下的數(shù)值模型，分析由開挖引起的土體應(yīng)力場、襯砌應(yīng)力場及土體豎向位移，評估不同開挖方法對結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合蓋挖法，從環(huán)保、節(jié)能的角度，選擇臺階法作為合理的開挖工法，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場實際施工進行了驗證。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保；超淺埋隧道；數(shù)值模擬；開挖方案；穩(wěn)定分析

中圖分類號：U455.41+1""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0212-05

Study on Energy saving and Environmental Protection Excavation Scheme of Ultra?shallow Large?span Tunnel

SHAO Xing LIU Xiaoxu LI Weiteng QI Chuande

（1. Shandong Provincial Communication Planning and Design Insitute Group Co.， Ltd.， Jinan Shandong 25010， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology， Qingdao Shandong 266590， China）

Abstract： Based on the principles of ensuring construction safety， protecting surface environment， and saving energy and reducing emission， this paper establishes numerical models of ultra?shallow large?span tunnel under three different excavation methods based on ABAQUS finite element software， analyzes the soil stress field， lining stress field and vertical displacement of soil due to excavation， evaluates the influence of different excavation methods on the structure， and selects the step method as a reasonable excavation method from the perspective of environmental protection and energy saving.

Key words： energy conservation and environmental protection; ultra?shallow tunnel; numerical simulation; excavation scheme; stability analysis

0 引言

隨著我國交通設(shè)施的迅速發(fā)展，隧道等地下交通因其方便快捷的特征已成為當前交通系統(tǒng)的重要組成部分。超淺埋隧道是當前應(yīng)用較廣泛且施工難度較大的隧道，尤其三車道及以上的大跨度隧道，因其埋深淺、跨度大的特性，地層拱效應(yīng)作用不能保證隧道上覆土壓力小于覆土自重[1]，隧道洞身段圍巖巖體受力特征復(fù)雜，開挖過程中隧道變形較大，塌方風(fēng)險大。通過現(xiàn)場實際勘探，結(jié)合水文、地層、溫度、地貌等特征選擇合理的施工工法可有效降低施工過程中冒頂、塌方等危險事故的概率[2]。而且淺埋塌方容易破壞地表環(huán)境，采用明挖或蓋挖施工，安全系數(shù)高，但對環(huán)境擾動大，尤其需要重新開挖施工便道和施工工作面，因此合理的暗挖方案在保證隧道安全的同時，也能保護環(huán)境，減少混凝土、鋼材等材料損耗，節(jié)能減排。

有限元分析法在當前隧道開挖模擬的理論計算與研究中有著廣泛的應(yīng)用。王軍祥等[3]利用ABAQUS軟件建立隧道三維模型，模擬計算不同施工步下圍巖應(yīng)力場、位移場和襯砌的受力情況，并運用正交設(shè)計法分析影響圍巖穩(wěn)定性的各項因素。朱衛(wèi)東[4]依托王崗山隧道研究超大斷面軟巖隧道開挖施工變形情況，利用ABAQUS軟件數(shù)值模擬分析三臺階法開挖對隧道圍巖位移和襯砌變化等相關(guān)因素的影響，得到開挖最優(yōu)進尺及初支形式與參數(shù)。鮑先凱等[5]依托花椒箐軟巖隧道研究不同施工工法對軟巖隧道施工的適用性，采用MIDAS/GTS軟件進行數(shù)值模擬分析，從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)進行對比分析，最終選取預(yù)留核心土法進行施工。

本文根據(jù)隧道工程地質(zhì)情況，針對不同的施工工法，運用ABAQUS軟件模擬隧道開挖過程，分析對比3種開挖方法下隧道周身圍巖位移及應(yīng)力的變化規(guī)律，選取安全、經(jīng)濟的開挖方案，保證施工安全的同時，節(jié)材減排，低碳節(jié)能。同時根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，為淺埋偏壓隧道開挖設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 齊長城隧道工程地質(zhì)情況

擬建齊長城隧道位于青島市西海岸新區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、測繪及鉆孔揭示地層情況，本場地所在工程地質(zhì)分區(qū)為構(gòu)造～剝蝕區(qū)，地貌類型為剝蝕殘丘。左線隧道存在一段約40m的淺埋段，洞身周圍圍巖主要為燕山晚期花崗巖（ 53）和燕山早期黑云二長巖（ 51），受構(gòu)造作用影響，局部巖體節(jié)理、裂隙極發(fā)育，洞頂主要為全風(fēng)化巖體。

1.2 齊長城隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

齊長城隧道暗挖段按新奧法原理設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護采用錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護：超前砂漿錨桿直徑為22mm，長為4.5m，環(huán)向間距40cm布置；鋼拱架采用間距為1m的鋼架；鋼筋網(wǎng)的直徑為8mm，間距為20cm×20cm；噴射混凝土采用厚度為25cm的C25噴射混凝土。二次襯砌采用厚度為50cm的C30素混凝土。

隧道內(nèi)輪廓采用三心圓形式，凈高8.19m，凈寬14.7m，設(shè)計時速為80km/h，內(nèi)輪廓圖如圖1所示：

2 暗挖工法數(shù)值模擬研究

該隧道的淺埋段開挖擬采用臺階法、CD法、CRD法進行比較。臺階法施工就是將結(jié)構(gòu)面分成上下兩個斷面或幾個斷面分步開挖，開挖方式可根據(jù)地層條件、斷面大小和機械配備情況合理選用[6]。CD法又稱中隔壁法，是在隧道開挖過程中，先分部開挖隧道的一側(cè)，并施作中隔壁，然后再分部開挖另一側(cè)的施工方法[7]。CRD法又稱交叉中橫隔壁法，是在隧道開挖過程中，先分部開挖隧道的一側(cè)，施作中隔壁和橫隔板，再分部開挖隧道另一側(cè)并完成橫隔板施工的施工方法?[8?10]。采用ABAQUS有限元軟件模擬開挖時引起的應(yīng)力場和位移分布關(guān)系從而選擇最為合適的工法進行開挖，保證隧道順利穿?越。

2.1 計算模型的建立

開挖深度較淺，施工時風(fēng)險較大，采用ABAQUS有限元軟件對開挖施工進行數(shù)值模擬，考慮到模型縮小時的尺度效應(yīng)和邊界效應(yīng)，模型寬度取大約5倍隧道寬度，寬度80m；隧道底部基巖主要為花崗巖，地質(zhì)條件較好，模型深度取到隧道底部以下3倍洞徑左右，高度為40m；CD法、CRD法隧道深度方向取1m，臺階法隧道深度方向為6m，隧道埋深均為4m；建立80×40×1與80×40×6的模型進行受力分析。

計算采用的邊界條件為：模型的側(cè)面邊界受水平位移約束；下部邊界受到豎向位移約束；地表為自由邊界，不受任何約束。

2.2 計算模型的材料參數(shù)

隧址區(qū)為Ⅴ級圍巖，模擬計算時假設(shè)圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范來取值，如表1所示。初期支護采用C25噴射混凝土，其參數(shù)取值見表2。

超前砂漿錨桿的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗通過提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬。錨桿的作用效果根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》建議，Ⅳ級圍巖可將加固區(qū)的圍巖凝聚力提高20%來處理。計算沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果作為結(jié)構(gòu)的安全儲備。

2.3 施工步驟模擬

齊長城隧道的模擬施工步驟，分別為設(shè)計階段推薦采用的CRD法和施工單位實際采用的下斷面左右分步臺階法。圖3所示為這兩種開挖方法的施工工序示意圖，圖中的數(shù)字表示依次開挖的斷面順序編號。

本文在模擬臺階法時每步掘進3m，分5次開挖完成；模擬CRD法、CD法時，每步掘進1m，由于問題的復(fù)雜性，沒有涉及臨時支護的拆除問題，復(fù)合式襯砌中的二次襯砌這里也不再進行模擬。

2.4 襯砌最大主應(yīng)力

不同工法開挖引起的襯砌應(yīng)力模擬結(jié)果為：（1）?采用臺階法開挖時，襯砌整體應(yīng)力分布呈對稱形式，拱頂位置產(chǎn)生一個拉應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值為7.855 10?2MPa，在拱頂兩側(cè)力拱頂較勁的位置應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，兩側(cè)拱肩位置對稱產(chǎn)生兩個壓應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值為1.895 10?1MPa，從拱肩到拱底壓應(yīng)力逐漸減小。（2）CD法開挖時，拉應(yīng)力最大值發(fā)生在中隔壁頂部與襯砌連接處，應(yīng)力值為7.364 10?2MPa；以該連接處為分界線，頂部襯砌左側(cè)為拉應(yīng)力，右側(cè)為壓應(yīng)力；襯砌左側(cè)拱腳位置產(chǎn)生一個復(fù)雜應(yīng)力區(qū)，該處具有多個拉壓應(yīng)力集中區(qū)，最大壓應(yīng)力為1.788 10?1MPa。（3）CRD法開挖時，中隔壁上部兩側(cè)產(chǎn)生兩個拉應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值為1.723MPa，頂部襯砌以中隔壁頂端為分界點，左側(cè)為壓應(yīng)力區(qū)，右側(cè)為拉應(yīng)力區(qū)；整體應(yīng)力趨勢由上往下逐漸減小。

三種開挖方式引起的襯砌應(yīng)力分布規(guī)律各不相同，但均有多個應(yīng)力集中區(qū)，采用CRD法施工時襯砌產(chǎn)生的應(yīng)力值最大，為1.886MPa；臺階法和CD法施工時襯砌應(yīng)力大小近似。

不同工法開挖引起的土體豎向位移模擬結(jié)果經(jīng)處理后如圖4所示：三種開挖方法引起的土體縱向位移分布規(guī)律大致趨勢相同，且呈對稱形式；沉降最大值均發(fā)生在拱頂位置，采用CRD法開挖時拱頂沉降最大，為4.153mm，臺階法和CD法開挖時拱頂沉降分別為0.422mm、0.419mm；由隧道拱頂位置到拱底位置位移逐漸減小，位移最小值發(fā)生在拱底位置，采用臺階法、CD法和CRD法拱底最小位移分別為2.114mm、0.209mm、0.208mm。

3 臺階法與蓋挖法的比較

淺埋位置采用蓋挖法開挖，安全系數(shù)高，但開挖量大，需要對地表進行開挖，防護邊坡，施作拱蓋后進行回填，相比較完全暗挖施工，蓋挖法增加了拱蓋施工的工程量，減少了拱部系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管的工程量。結(jié)合本項目40m的淺埋長度，綜合比較兩種施工工法。

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臺階法相比蓋挖法，每延米建安費減少19"186 "10"255 8"931元，綜合40m長度淺埋，減少建安費用約35.7萬元，能夠節(jié)省大量建設(shè)材料，是一種很好的低碳節(jié)能工法。同時考慮對環(huán)境的影響，臺階法幾乎對地表環(huán)境沒有造成破壞，蓋挖法對地表開挖約1"400m2，同時由于新建施工便道等因素，對周邊環(huán)境產(chǎn)生更大的破壞。

4 臺階法現(xiàn)場施工監(jiān)測

基于以上分析計算，現(xiàn)場采用臺階法進行施工，并對拱頂沉降進行監(jiān)測分析，每5m一個斷面監(jiān)測布點，示意圖如圖6所示，取典型斷面進行分析。

通過連續(xù)50天的沉降監(jiān)測，上臺階施工完成后，在第8天時，變形趨于穩(wěn)定，沉降值在23mm左右，第17天后進行下臺階施工，使得拱頂沉降進一步增大，最終在第21天左右，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，沉降值穩(wěn)定在33mm左右，其他測點的沉降情況基本類似。隧道初支變形符合現(xiàn)場安全要求，滿足二次襯砌的施作條件，具體沉降曲線如圖7所示。

? 5 結(jié)語

通過ABAQUS有限元軟件模擬隧道臺階法、CD法、CRD法三種開挖工法下的受力變形及位移，臺階法與CD法產(chǎn)生的襯砌應(yīng)力的分布規(guī)律卻大不相同，前者襯砌應(yīng)力分布規(guī)律性較強，實際施工時較容易把握應(yīng)力集中區(qū)從而采取相應(yīng)措施，后者應(yīng)力分布規(guī)律性較差，且存在復(fù)雜應(yīng)力集中區(qū)。三種開挖方式引起的豎向位移大體規(guī)律一致，CRD法、臺階法和CD法開挖引起的拱頂豎向位移大小分別為2.114mm，0.209mm、0.208mm。

臺階法與蓋挖法比較，整段淺埋隧道減少建安費用約35.7萬元，能夠節(jié)省大量建設(shè)材料，同時避免了對環(huán)境的影響。

通過現(xiàn)場監(jiān)控測量，該段淺埋大跨度隧道采用臺階法施工，拱頂沉降值穩(wěn)定在33mm左右，隧道初支變形符合現(xiàn)場安全要求，滿足二次襯砌的施作條件，是一種經(jīng)濟環(huán)保、節(jié)能的開挖工法。

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