劉紅林，楊曉光，王 文，李德武△

（1.中交路橋華北工程有限公司，北京 100027；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

選擇合理的工法進(jìn)行隧道施工，一方面使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力得到充分發(fā)揮，另一方面可以有效控制圍巖變形，提高圍巖穩(wěn)定性，從而保證施工安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]關(guān)于隧道施工方法的研究已有較多成果。朱衛(wèi)東[3]通過(guò)建立三維有限元數(shù)值模型，研究了三臺(tái)階法開(kāi)挖后的隧道襯砌、圍巖受力及變形特征。汪東兵和楊易瑩[4]探討了采用臺(tái)階法施工隧道的圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)隨施工步的變化規(guī)律。彭偉[5]通過(guò)對(duì)不同開(kāi)挖方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出V級(jí)圍巖隧道采用CD法的效果比較好。劉洋等[6]采用顆粒離散單元法模擬了不同開(kāi)挖方法和加固措施對(duì)圍巖穩(wěn)定和變形的影響，討論了開(kāi)挖方法和加固措施對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定的影響。楊海峰[7]對(duì)比分析了三臺(tái)階七步開(kāi)挖法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點(diǎn)。在黃土隧道施工方法的研究方面，楊世武等[8]提出了黃土隧道以微臺(tái)階開(kāi)挖、濕噴機(jī)械手快速支護(hù)、仰拱快速封閉成環(huán)為核心的快挖快支快成環(huán)微臺(tái)階法修建技術(shù)。楊凱和戚鐵[9]建立三維數(shù)值模型研究了黃土隧道中開(kāi)挖方法及支護(hù)措施對(duì)既有隧道最終位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布及圍巖塑性區(qū)演化的影響。劉赪[10]在研究鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)黃土性能的基礎(chǔ)上，提出新黃土地段和洞口淺埋段的隧道開(kāi)挖宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD法施工。程選生和王建華[11]以圍巖控制點(diǎn)位移為指標(biāo)，模擬研究了6種施工方法對(duì)超大斷面黃土隧道施工效果的影響。

綜上所述，已有很多學(xué)者對(duì)黃土隧道施工方法進(jìn)行了多方面的對(duì)比研究，得出一些可以指導(dǎo)黃土隧道設(shè)計(jì)施工的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上以可樂(lè)灣隧道為背景，通過(guò)建立三維數(shù)值模型，對(duì)比研究CD法、三臺(tái)階七步法和二臺(tái)階五步法施工對(duì)黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形的影響。

2 工程概況

可樂(lè)灣隧道是澠池至淅川高速公路澠池至洛寧段工程建設(shè)項(xiàng)目的控制性工程，也是該項(xiàng)目的重難點(diǎn)工程，隧道位于河南省洛陽(yáng)市境內(nèi)。隧址區(qū)地面標(biāo)高330.18～434.4 m，高程相差較大。隧道圍巖為第四系上更新統(tǒng)及第三系地層，上部黃土狀粉土及粉土，稍密-中密狀，具濕陷性，濕陷性等級(jí)為非自重Ⅱ級(jí)。個(gè)別地層揭露有鈣質(zhì)結(jié)核和卵石，呈弱膠結(jié)狀。圍巖級(jí)別以V級(jí)圍巖為主。

3 模型的建立

3.1 計(jì)算參數(shù)

項(xiàng)目超前支護(hù)采用Φ42×4 mm超前小導(dǎo)管，L=4.5 m，環(huán)向間距30 cm，水平搭接長(zhǎng)度為1.5 m，小導(dǎo)管外插角為10°，并沿開(kāi)挖輪廓120°范圍布設(shè)；拱架采用I20a工字鋼拱架，縱向間距75 cm；噴射C25混凝土25 cm；Φ22藥卷錨桿，L=3.5 m，間距120 cm（縱）×50 cm（環(huán)），梅花形布置；二次襯砌為50 cm厚的C30鋼筋混凝土，仰拱回填采用C15混凝土。在施工臺(tái)階結(jié)合處設(shè)置鎖腳錨管（Φ42×4 mm、L=4.0 m鋼管），打設(shè)角度取45°。根據(jù)原狀黃土室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)以下公式將壓縮模量換算為彈性模量：

式中：E為彈性模量；Eoed為壓縮模量；v為泊松比。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得黃土的彈性模量為26.30 MPa；黃土黏聚力和摩擦角分別為101.85 kPa和21.23°。

鎖腳錨管采用Φ42×4 mm的鋼管，彈性模量Ep=206 GPa，容重γp=78.5 kN/m3，鋼管內(nèi)灌注水泥砂漿，彈性模量Ep=15 GPa，容重γp=20 kN/m3。為簡(jiǎn)化隧道模型的參數(shù)，將鎖腳錨管中的鋼管和水泥砂漿進(jìn)行剛度與容重等效換算，截面等效彈性模量為123.97 GPa，等效容重γp=40.17 kN/m3。超前小導(dǎo)管的計(jì)算參數(shù)與鎖腳錨桿相同。

3.2 模型單元類(lèi)型及邊界條件

為對(duì)比分析CD法、三臺(tái)階七步法和兩臺(tái)階五步法在可樂(lè)灣隧道施工中的效果，采用Midas/GTS有限元軟件對(duì)3種工法分別建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型采用實(shí)體單元模擬圍巖、二次襯砌、桁架單元模擬錨桿，梁?jiǎn)卧M鋼拱架，植入式梁?jiǎn)卧M鎖腳錨管和超前小導(dǎo)管，殼單元模擬噴射混凝土。圍巖材料采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料均采用彈性本構(gòu)模型。隧道模型在X、Y、Z 3個(gè)方向的尺寸取為90 m×30 m×105 m，隧道模型開(kāi)挖長(zhǎng)度滿(mǎn)足從掌子面開(kāi)挖到二次襯砌施作完成的整個(gè)施工階段。對(duì)模型四周施加水平約束，底面施加豎直方向約束，頂面為自由面。

4 不同工法的施工特性

4.1 CD法施工特性

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行求解，得到采用CD法施工時(shí)圍巖產(chǎn)生的位移如圖1所示。

圖1 圍巖位移云圖（單位：mm）

由圖1（a）可知，采用CD法施工時(shí)，圍巖的最終豎向沉降左右兩側(cè)基本對(duì)稱(chēng)。拱頂最大沉降為140.7 mm，仰拱底隆起最大位移為148.96 mm。由圖1（b）所示的水平位移云圖可知，采用CD法施工時(shí)，隧道兩側(cè)圍巖最終的水平位移大小不同，其中左側(cè)邊墻處圍巖向洞內(nèi)收斂41.92 mm，右側(cè)邊墻處圍巖向洞內(nèi)收斂65.42 mm。說(shuō)明采用CD法這種分部開(kāi)挖分部支護(hù)的方式進(jìn)行施工時(shí)，由于左側(cè)先開(kāi)挖，右側(cè)后開(kāi)挖，使得右側(cè)圍巖在作用兩側(cè)開(kāi)挖時(shí)均受到影響，產(chǎn)生較大的水平位移。在施工過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注右側(cè)導(dǎo)坑施工時(shí)的圍巖收斂變形。為研究施工過(guò)程對(duì)圍巖變形的影響，在圍巖開(kāi)挖邊界上選取關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)在隨施工過(guò)程中豎向下沉和水平位移的歷時(shí)曲線(xiàn)進(jìn)行研究，如圖2所示，對(duì)比分析CD法施工過(guò)程中圍巖的形變特征。

圖2 Y=0 m斷面圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移歷時(shí)曲線(xiàn)

圖2（a）表明，對(duì)于Y=0斷面，隨著施工的推進(jìn)，左右邊墻和左右拱腳處圍巖的豎向變形基本趨近于零，而拱頂、拱腰和拱腳處圍巖的豎向變形表現(xiàn)為持續(xù)增大的下沉變形，其中拱頂沉降和仰拱底隆起變形在左右兩側(cè)導(dǎo)坑施工時(shí)變形速率略有不同。僅在左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階施工時(shí)，拱頂沉降和仰拱底隆起變形隨施工進(jìn)行不斷增長(zhǎng)，在左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開(kāi)挖施工時(shí)，拱頂沉降持續(xù)增長(zhǎng)，仰拱底的隆起變形略有回落，在右側(cè)導(dǎo)坑施工后仰拱的隆起變形也再次隨施工過(guò)程持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)右側(cè)導(dǎo)坑同時(shí)進(jìn)行施工時(shí)，拱頂沉降與仰拱底隆起變形增長(zhǎng)速率變大，特別是在右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階施工時(shí)，變形速率最大。也就是說(shuō)在整個(gè)施工過(guò)程中，右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的豎向變形發(fā)展最快。在右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)完成后，圍巖的豎向變形趨于收斂。最終拱頂?shù)某两抵蹬c仰拱底的隆起值大小基本相同。對(duì)比左右兩側(cè)各對(duì)稱(chēng)關(guān)鍵點(diǎn)位的豎向下沉值可知，各對(duì)稱(chēng)點(diǎn)位的豎向下沉值均表現(xiàn)為右側(cè)點(diǎn)位的豎向下沉略大于左側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的豎向下沉，但最終變形值基本相同。說(shuō)明在采用CD法分部開(kāi)挖時(shí)，對(duì)右側(cè)圍巖的影響大于左側(cè)圍巖。

由圖2（b）可知，隧道圍巖的水平位移在隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后趨于穩(wěn)定時(shí)，右側(cè)邊墻處水平收斂位移最大，最大位移為28 mm，仰拱底部圍巖的水平位移最大，最大位移為26 mm。對(duì)比左右兩側(cè)圍巖最終水平位移可知，左右兩側(cè)圍巖的水平位移主要發(fā)生在邊墻處?？紤]左右兩側(cè)導(dǎo)洞的施工過(guò)程，從圖2（b）所示的水平位移歷時(shí)曲線(xiàn)可知，在左側(cè)上導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，左側(cè)拱腰處圍巖的水平收斂位移急速增大，后隨施工進(jìn)程逐漸趨于收斂。在左側(cè)下導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)左側(cè)邊墻處圍巖的水平位移得到迅速增速變緩，甚至略有回落，而在右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)始施工后，其水平收斂位移減小。

綜上所述，采用CD法施工時(shí)，對(duì)右側(cè)圍巖的影響大于左側(cè)圍巖，左側(cè)圍巖在施工過(guò)程中變形較為均勻，而右側(cè)圍巖，特別是右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階施工時(shí)對(duì)右側(cè)圍巖的變形影響較大。因此采用CD法施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定性，確保隧道施工順利進(jìn)行。

由圖3可知，采用CD法施工完成后，鋼拱架處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，鋼拱架在拱頂及拱腳部分承受的軸壓應(yīng)力較小，拱頂及拱腳處鋼拱架承受軸向壓應(yīng)力約70 MPa，最小軸壓位于拱頂偏左位置處，為67 MPa。墻角部分承受軸壓應(yīng)力最大，約為150 MPa。對(duì)比左右兩側(cè)鋼拱架受力發(fā)現(xiàn)，右側(cè)鋼拱架承受軸壓應(yīng)力略大于左側(cè)鋼拱架。說(shuō)明采用CD法施工時(shí)，右側(cè)鋼拱架承受的圍巖壓力要大于左側(cè)，因此右側(cè)鋼拱架提供的支護(hù)力要大于左側(cè)。整體來(lái)看，鋼拱架在全環(huán)范圍內(nèi)受力比較均勻。

圖3 Y=0 m斷面鋼拱架軸向應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

4.2 三臺(tái)階七步法施工特性

通過(guò)計(jì)算，得到采用三臺(tái)階七步法施工時(shí)圍巖產(chǎn)生的位移如圖4所示。

圖4 圍巖位移云圖（單位：mm）

由圖4可知，采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖時(shí)，豎向變形左右對(duì)稱(chēng)，水平位移整體上基本呈左右對(duì)稱(chēng)分布，右側(cè)的變形略大于左側(cè)變形，左側(cè)水平收斂位移發(fā)生在最大跨度90 mm處，右側(cè)水平收斂位移發(fā)生在墻腳107 mm處。為研究施工過(guò)程對(duì)圍巖變形的影響，在圍巖開(kāi)挖邊界上選取關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)在隨施工過(guò)程中豎向下沉和水平位移的歷時(shí)曲線(xiàn)進(jìn)行研究，如圖5所示，對(duì)比分析三臺(tái)階七步法施工過(guò)程中圍巖的形變特征。

圖5 Y=0 m斷面圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移歷時(shí)曲線(xiàn)

圖5（a）表明，隨著施工的推進(jìn)，拱頂、左右拱腳和仰拱底的豎向位移呈現(xiàn)逐漸增大后趨于收斂的變化規(guī)律。而左右邊墻處的豎向位移在中臺(tái)階開(kāi)挖前表現(xiàn)為向上的隆起變形，在中臺(tái)階開(kāi)挖后逐漸變?yōu)槌两底冃?，并隨施工的推進(jìn)逐漸趨于收斂。左右墻腳處的豎向位移在下臺(tái)階開(kāi)挖前豎向隆起逐漸增大，下臺(tái)階開(kāi)挖后豎向隆起逐漸變小并趨于收斂。由圖5（b）可知，拱頂幾乎不發(fā)生水平位移，左右拱腰、邊墻及墻腳處的水平收斂變形隨施工過(guò)程不斷增大，由于右導(dǎo)坑的施工滯后于導(dǎo)坑，因此右側(cè)圍巖的水平收斂位移略大于左側(cè)圍巖。

圖6表明，采用三臺(tái)階七步法施工時(shí)，拱部及仰拱處鋼拱架處于受壓狀態(tài)，拱頂?shù)焦澳_范圍內(nèi)的鋼拱架承受的壓應(yīng)力最大，同時(shí)也較為均勻。鋼拱架承受的最大軸壓位于左側(cè)拱腰處，為113 MPa。邊墻處鋼拱架承受軸向應(yīng)力較小，且在最大跨度處表現(xiàn)為軸拉狀態(tài)。最大軸向拉應(yīng)力位于右側(cè)最大跨度處，為35 MPa。仰拱鋼拱架承受50 MPa左右的壓應(yīng)力。采用三臺(tái)階七步法施工時(shí)，鋼拱架軸向應(yīng)力左右基本對(duì)稱(chēng)，且鋼拱架承受軸向壓應(yīng)力極不均勻。邊墻處鋼拱架的強(qiáng)度沒(méi)有得到有效發(fā)揮。

圖6 鋼拱架軸向應(yīng)力圖（單位：MPa）

4.3 二臺(tái)階五步法施工特性

通過(guò)計(jì)算，得到采用二臺(tái)階五步法施工時(shí)圍巖產(chǎn)生的位移如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，采用二臺(tái)階五步法施工時(shí)，圍巖豎向變形主要發(fā)生在隧道拱頂和墻角處；最大沉降發(fā)生在隧道拱頂位置，最大沉降量為151.2 mm，底部最大隆起發(fā)生在兩側(cè)墻角處，最大隆起量為200.7 mm，二臺(tái)階五步開(kāi)挖方法在圍巖豎向變形上是對(duì)稱(chēng)的，拱頂和墻角位置處在隧道開(kāi)挖過(guò)程中較為不利，應(yīng)在實(shí)際工程施工過(guò)程中加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)；對(duì)于水平位移，最大變形處主要集中在最大跨位置處，且隧道右側(cè)水平位移大于左側(cè)，水平位移最大值分別為81.7 mm和67.5 mm。

圖8（a）表明，采用二臺(tái)階五步法進(jìn)行施工時(shí)，隧道豎向位移總體呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，但是在墻腳處，豎向位移均先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，拱頂豎向沉降值最大，為151.2 mm；在隧道開(kāi)挖施工前期，仰拱中心處豎向隆起變形急劇增加，然后逐漸趨于收斂，隧道仰拱前期豎向隆起變化較快，仰拱最大隆起值為157.3 mm，可能是由于仰拱噴射混凝土強(qiáng)度的時(shí)效性，未能充分發(fā)揮其作用。圖8（b）表明，隧道中心線(xiàn)兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)挖仰拱時(shí)，隧道最大跨監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化最大，水平收斂值為163.4 mm，隨著開(kāi)挖施工的進(jìn)行，最大跨水平收斂逐漸減小；當(dāng)隧道收斂變形趨于穩(wěn)定時(shí)，最大跨處最大水平收斂值為120.6 mm。從隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化可以看出，二臺(tái)階五步開(kāi)挖方法對(duì)隧道豎向位移變化的影響大于水平方向位移變化的影響。

采用二臺(tái)階五步開(kāi)挖隧道時(shí)，鋼拱架受力呈現(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)的全環(huán)受壓狀態(tài)，其中拱部鋼拱架的軸向壓應(yīng)力最大，為254 MPa，墻腳位置處軸向壓應(yīng)力最小，為87 MPa。整體來(lái)看，全環(huán)范圍內(nèi)鋼拱架的軸向壓應(yīng)力分布較不均勻，如圖9所示。

圖9 鋼拱架軸向應(yīng)力圖（單位：MPa）

5 不同工法的對(duì)比分析

5.1 圍巖變形的對(duì)比分析

對(duì)比3種施工方法下圍巖收斂變形的分布曲線(xiàn)，如圖10所示。由圖可以看出，采用CD法施工時(shí)圍巖的收斂變形最小，說(shuō)明CD法對(duì)控制圍變形效果最好。這是因?yàn)榕c三臺(tái)階七步法和二臺(tái)階五步法相比，CD法在施工過(guò)程中，左右導(dǎo)洞在開(kāi)挖后進(jìn)行了及時(shí)的封閉支護(hù)，使得圍巖的變形釋放較小，二臺(tái)階五步法和三臺(tái)階七步法在各分布的開(kāi)挖過(guò)程中并沒(méi)有形成封閉成環(huán)的支護(hù)，使得隧道斷面在初期支護(hù)封閉支護(hù)之前，圍巖一直處于變形過(guò)程中，從而圍巖的變形較大。對(duì)比二臺(tái)階五步法和三臺(tái)階七步法可以發(fā)現(xiàn)，在控制仰拱處圍巖的隆起方面，兩種施工方法的控制效果相差不大。在控制拱頂圍巖的沉降方面二臺(tái)階五步法略?xún)?yōu)于三臺(tái)階七步法，而在控制圍巖水平收斂方面，三臺(tái)階七步法的效果略?xún)?yōu)于二臺(tái)階五步法。

圖10 3種工法圍巖收斂變形的分布曲線(xiàn)

從圖11所示的鋼拱架軸向應(yīng)力分布圖可以看出，采用CD法施工時(shí)，拱頂鋼拱架承受的軸向應(yīng)力最大。

圖11 3種工法鋼拱架軸向應(yīng)力的分布曲線(xiàn)

在拱腰處3種工法施工時(shí)，鋼拱架承受的軸向應(yīng)力基本相同。在仰拱和邊墻最大跨度處，采用三臺(tái)階七步法施工時(shí)鋼拱架承受的軸向應(yīng)力最小，采用CD法施工時(shí)鋼拱架承受的軸向應(yīng)力最大。與二臺(tái)階五步法和三臺(tái)階七步法相比，采用CD法時(shí)鋼拱架的軸向應(yīng)力在整個(gè)隧道斷面上分布較為均勻。采用三臺(tái)階七步法時(shí)鋼拱架承受的軸向應(yīng)力分布極不均勻，呈現(xiàn)拱部鋼拱架軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位鋼拱架軸向應(yīng)力的現(xiàn)象。結(jié)合圍巖的變形情況可以看出，三臺(tái)階七步法和二臺(tái)階五步法在施工過(guò)程中初期支護(hù)的封閉時(shí)間較長(zhǎng)，圍巖的變形得到充分地發(fā)揮，在抵抗由原始地應(yīng)力引起的圍巖變形過(guò)程中，圍巖自承載能力得到發(fā)揮，從而使得作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力水平低，支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度發(fā)揮水平較低。而CD法對(duì)圍巖變形的約束效果最好，說(shuō)明在施工過(guò)程中及時(shí)施作初期支護(hù)，使得圍巖的變形釋放程度較小，初期支護(hù)承受的圍巖壓力最大，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到較大程度的發(fā)揮。

6 結(jié)論

（1）在控制圍巖變形效果方面，3種工法施工時(shí)圍巖的最大收斂變形均位于位置處，而拱腰和邊墻處的水平收斂較小。3種工法下圍巖變形的分布基本相同，但CD法整體的收斂變形比二臺(tái)階五步法和三臺(tái)階七步法要小，表明CD法對(duì)控制圍變形效果最好。

（2）在鋼拱架的受力分布特征方面，采用二臺(tái)階五步法和三臺(tái)階七步法時(shí)鋼拱架承受的軸向應(yīng)力分布不均勻，呈現(xiàn)拱部鋼拱架軸向應(yīng)力大于其他部位鋼拱架軸向應(yīng)力的現(xiàn)象。而采用CD法時(shí)鋼拱架的軸向應(yīng)力在整個(gè)隧道斷面上分布較為均勻。說(shuō)明采用CD法施工時(shí)鋼拱架的承載能力得到充分發(fā)揮。

（3）通過(guò)對(duì)比分析三種工法對(duì)圍巖控制效果和鋼拱架受力分布特征，建議黃土隧道采用CD法進(jìn)行施工，在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注右下導(dǎo)坑施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定性，確保隧道施工順利進(jìn)行。