摘要：為了對比分析七步工法和CD工法下大斷面隧道在施工過程中其四周圍巖的穩(wěn)定性，文章采用GeoFBA有限元分析軟件，建立了兩種工法的二維有限元計算模型，模擬每一步的施工步驟，計算出大斷面隧道四周圍巖在采用兩種工法進行施工時，最大主應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和變形位移的動態(tài)數(shù)據(jù)，并通過對比分析，主要得到以下結(jié)論：（1）采用兩種工法進行施工時，隧道四周圍巖主應(yīng)力都是在不斷增加的，主應(yīng)力的峰值均出現(xiàn)在二次襯砌混凝土施工結(jié)束后；（2）采用CD工法時，隧道兩側(cè)的圍巖最大主應(yīng)力整體上要比七步工法小一些，隧道兩側(cè)拱肩的圍巖最大主應(yīng)力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部要比七步工法大一些，其余的位置差別不大；（3）采用CD工法時，仰拱底部的位移值要比七步工法小一些，但兩種工法下的隧道拱頂部位位移值相差不大；（4）CD工法塑性區(qū)的范圍、深度都略小于七步工法。

關(guān)鍵詞：高速公路；三車道大斷面隧道；圍巖穩(wěn)定性；有限元

中圖分類號：U456.3+1 A 25 090 4

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟實力飛速提升，帶動公路交通領(lǐng)域得到較大發(fā)展，更多高等級的公路交通線路修建并投入使用，這些線路往往通過山地地段，在施工中需要打通隧道，形成公路交通系統(tǒng)中重要的一部分——大斷面公路隧道，其線路設(shè)計也逐漸成為建設(shè)高等級公路中至關(guān)重要的一環(huán)。大斷面公路隧道具有線路跨度大、地質(zhì)條件復(fù)雜等眾多不同的干擾因素，這些干擾因素給大斷面公路隧道的設(shè)計和施工帶來了大量問題，其中就包含大斷面公路隧道圍巖的穩(wěn)定性［1-2］。

在我國北京、重慶、上海等地，大斷面公路隧道已建成并正式投入使用的線路有很多，這表明近年來我國在大斷面公路隧道的施工和設(shè)計中投入了大量的工作并獲得了很多經(jīng)驗［3］，但相比發(fā)達國家，在大斷面公路隧道的一些關(guān)鍵問題上仍存在一定差距，如大斷面公路隧道圍巖穩(wěn)定性，雖然我國已有學(xué)者對此開展了大量研究，但目前的研究方法和研究內(nèi)容尚未成體系［4-5］。

胡濤濤等［6］通過采用FLAC 3D軟件建立隧道施工過程中的數(shù)值模型，針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺階七步開挖法這兩種施工方法，對比了其在不同含水率下的圍巖壓力及豎向、水平上的變形，得到了含水率變化對炭質(zhì)板巖隧道的影響規(guī)律，對實際工程和設(shè)計工作提供了一定的理論依據(jù)。邢軍等［7］針對斷層破碎帶內(nèi)隧道圍巖破碎、涌水量大的特點，利用數(shù)值仿真的方法，模擬了隧道開挖和連續(xù)降雨條件下的工況，研究得知拱腰容易在開挖過程中變形發(fā)生坍塌，嚴重影響隧道的穩(wěn)定性和施工時的安全性，對此提出一系列的設(shè)計和施工時的建議，以提高施工安全性。朱寶合等［8］針對高速公路隧道線路，分析不同開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響差異，使用FLAC 3D軟件建立了全斷面法、臺階法、CD法和CRD法這4種方法的開挖模型，對比了4種方法的圍巖變形、應(yīng)力和應(yīng)變分布特征，最終得到選取CD法可更好地適用于所研究的公路隧道路段，并具有更高的圍巖穩(wěn)定性的結(jié)論。

本文為了對比分析七步工法和CD工法下，大斷面隧道在施工過程中其四周圍巖的穩(wěn)定性，采用Geo FBA軟件建立了兩種工法的二維有限元計算模型，模擬了每一步的施工步驟，計算出大斷面隧道四周圍巖在兩種工法施工時，其最大主應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和變形位移的動態(tài)數(shù)據(jù)，并對其進行對比分析，得到的結(jié)論可指導(dǎo)實際工程，具有一定的工程意義。

1 動態(tài)施工過程二維有限元模擬

采用Geo FBA軟件對大斷面隧道的施工過程建立二維有限元數(shù)值模型來進行動態(tài)模擬，該軟件的主要特點是：（1）其專業(yè)用于巖土及地下工程設(shè)計與施工分析，自帶配套的編程技術(shù)和繪圖系統(tǒng)，是包含建模、處理及計算為一體的全面分析平臺；（2）其可有效且分步模擬施工過程中的卸載、開挖、支護等，能計算出開挖過程中地下結(jié)構(gòu)四周的土體變形、應(yīng)力及應(yīng)變的動態(tài)變化。

針對某高速公路三車道大斷面公路隧道，在進行動態(tài)施工模擬時，其流程如圖1所示。

1.1 七步工法施工

在某高速公路三車道大斷面公路隧道中選取的斷面為玄武巖的巖性、Ⅳ級圍巖、S5型襯砌，且大約埋深123 m；選取3倍洞跨作為模型的邊界范圍，其對左右邊界進行水平方向上的位移約束，對下邊界進行垂直方向上的位移約束，為了模擬上部巖體的壓力作用，對模型上邊界施加1.924 MPa 的均布荷載。模型中的材料參數(shù)如表1所示。

為了準確地模擬七步工法開挖過程，在建立模型時，將完整的施工過程分解為13步，計算分析每一步作用下模型的狀態(tài)。流程如圖2所示，部分開挖過程模擬如圖3所示。

1.2 CD法施工

為了對比不同的方法在隧道開挖過程中圍巖的變形及受力的情況，選取同一個斷面，運用二維有限元模型來模擬CD工法的動態(tài)施工過程。為了模擬上部巖體的壓力作用，對模型上邊界施加3.05 MPa的均布荷載，其余的相關(guān)參數(shù)如斷面的參數(shù)和模型的邊界條件與表1一致。

為了準確地模擬CD工法開挖過程，在建立模型時，將完整的施工過程分解為6步，計算分析每一步作用下模型的狀態(tài)。其流程如圖4所示，部分開挖過程模擬如圖5所示。

2 二維模型計算結(jié)果分析

2.1 七步工法

提取每一步的有限元模型計算結(jié)果，主要提取斷面圍巖各個特征點最大主應(yīng)力和最終步圍巖特征點的累計位移，計算其應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果匯總?cè)绫?～4所示。

由表2～4可以得到以下結(jié)論：

（1）整體上看，在整個開挖過程中，公路隧道四周圍巖主應(yīng)力是在不斷增加的，其主應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在最后一步的完成即二次襯砌混凝土施工結(jié)束后。

（2）當(dāng)采用七步工法施工結(jié)束即二次襯砌混凝土施工結(jié)束后，由其最終步圍巖特征點的應(yīng)力集中系數(shù)可以得到，在隧道兩側(cè)的拱腳處出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力，但在隧道兩側(cè)的拱肩部位出現(xiàn)了最大應(yīng)力集中系數(shù)。第二大的應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在拱腳位置。

（3）由表4最終步圍巖特征點的累計位移匯總可以看出，水平方向上的累計位移值極值出現(xiàn)在拱腰處，數(shù)值為16.030 mm，而垂直方向上的累計位移值極值出現(xiàn)在底部仰拱中部，數(shù)值為30.610 mm。由整體數(shù)值的分析得出，在開挖施工過程中，隧道四周的圍巖會隨著施工的進行產(chǎn)生向內(nèi)不斷收縮的變形，這樣的變形會使隧道斷面面積不斷變小。

（4）在七步工法施工過程中，隧道四周圍巖會形成塑性區(qū)，且隨著施工的不斷進行，塑性區(qū)的位置在不斷變化和轉(zhuǎn)移。因此，在施工過程中的支護襯砌工程措施是十分必要的，可有效地對施工安全提供一定的保障。

2.2 CD法

取每一步的有限元模型計算結(jié)果，主要提取斷面圍巖各個特征點最大主應(yīng)力和最終步圍巖特征點的累計位移，計算其應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果匯總?cè)绫?～7所示。

由表5～7可以得到以下結(jié)論：

（1）整體上看，在整個開挖過程中，公路隧道四周圍巖主應(yīng)力是在不斷增加的，其主應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在最后一步即二次襯砌混凝土施工結(jié)束后，眾多特征點中左側(cè)拱腳的應(yīng)力增加得最多。

（2）當(dāng)采用CD工法施工時，左右拱肩的應(yīng)力是對稱的，二者大小基本是一致的，但由于是先施工左側(cè)，再施工右側(cè)，因此左側(cè)作為先開挖的位置其四周圍巖的主應(yīng)力明顯大于右側(cè)，且主應(yīng)力最大的位置前兩處依次是左側(cè)和右側(cè)拱腳圍巖特征點。

（3）由表7最終步圍巖特征點的累計位移匯總可以看出，水平方向上的累計位移值極值出現(xiàn)在右側(cè)拱腰，數(shù)值為22.15 mm，而垂直方向上的累計位移值極值出現(xiàn)在底部仰拱中部，數(shù)值為24.16 mm。由整體數(shù)值的分析得出，在開挖施工過程中，隧道四周的圍巖會隨著施工的進行產(chǎn)生向內(nèi)不斷收縮的變形，這樣的變形會使隧道斷面面積不斷變小。

（4）在CD工法施工過程中，隧道四周圍巖基本上不會形成面積范圍較大的塑性區(qū)，因此，在施工過程中的支護襯砌工程措施能充分地對施工安全提供保障。

3 結(jié)果對比分析

通過前文，分析了七步工法和CD工法的二維有限元數(shù)值模型計算的結(jié)果，可以得到各自的施工方法下的大斷面隧道在施工階段時的圍巖穩(wěn)定性，對比兩種方法，可以得到以下結(jié)論：

（1）對比兩種施工方法的最大主應(yīng)力可得，在隧道開挖過程中，采用CD工法時，其隧道兩側(cè)的圍巖最大主應(yīng)力及隧道兩側(cè)拱肩的圍巖最大主應(yīng)力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部的要比七步工法大一些，其余的位置，兩種方法相差不多。

（2）在對比兩種施工方法下的圍巖變形位置時，可以得出，采用CD工法下仰拱底部的變形位移值要比七步工法小一些，但是兩種方法下的隧道拱頂部位位移相差不大。

（3）CD 工法塑性區(qū)的范圍、深度都略小于七步工法。七步工法開挖對施工技術(shù)要求較低，而且計算結(jié)果表明其施工仍有安全保障。CD 工法只分左右洞室兩部開挖，減少了對圍巖的擾動次數(shù)，其塑性區(qū)范圍較七步工法也有所縮??；從安全施工角度來看，CD工法則具有明顯的優(yōu)越性，但是CD工法須安設(shè)臨時支撐的中隔壁，施工工序和工藝等較為煩瑣，而且費用較高、施工進度又難于加快，實際施工難以采用。

4 結(jié)語

本文基于Geo FBA有限元計算方法，建立大斷面隧道斷面的二維數(shù)值模型，考慮七步工法和CD工法兩種施工方法的施工分步和特點，通過數(shù)值模擬分析了兩種施工工法下隧道圍巖的最大主應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)和變形位移，并對其進行對比分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）兩種施工方法下，公路隧道四周圍巖主應(yīng)力是在不斷增加的，主應(yīng)力的峰值都出現(xiàn)在二次襯砌混凝土施工結(jié)束后。

（2）在隧道開挖過程中，采用CD工法時，其隧道兩側(cè)的圍巖最大主應(yīng)力及隧道兩側(cè)拱肩的圍巖最大主應(yīng)力要比七步工法小一些，而拱頂及仰拱底部的要比七步工法大一些，其余的位置，兩種方法相差不多。

（3）采用CD工法下仰拱底部的變形位移值要比七步工法小一些，但是兩種方法下的隧道拱頂部位位移相差不多。

（4）CD工法塑性區(qū)的范圍、深度都略小于七步工法。七步工法開挖對施工技術(shù)要求較低，施工安全。CD工法在安全施工上有明顯的優(yōu)越性，但是CD工法施工工序和工藝等較為煩瑣，而且費用較高、施工進度又難于加快，實際施工難以采用。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-10