大断面公路隧道开挖方法数值分析

郑 晖

(大连广播电视大学，辽宁大连 116021)

大断面公路隧道由于埋深增大，地应力进一步增加，围岩极易发生失稳乃至坍塌的危险。修建深埋大断面公路隧道的关键问题首先是确定所采用的开挖方法。由于岩体介质的相对复杂性，各类围岩与支护的受力会随开挖方法的不同而变化。判断围岩稳定性的方法有模型实验、原位实验、工程类比、数值分析等，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法［1］。一些学者对大断面公路隧道进行了研究［2-6］，采用有限元或有限差分模拟了整个隧道围岩的变形过程，分析了围岩和支护结构体非线性力学行为的地应力场、位移场，确定了适合于大断面公路隧道的合理施工方法。

隧道的开挖过程是极其复杂的系统工程，开挖方法的选择应根据隧道的埋置深度、所处地质情况及支护条件等因素综合考虑。本文依托大连某桥隧建设工程，分别采用导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法，详细的分析隧道开挖支护后围岩的位移场和应力场，以期确定该类地质条件下合理的开挖方法，预测隧道施工中的险情。

1 工程概况

本工程以大连某桥隧建设工程为背景，该公路隧道为分离式汽车专用一级公路隧道，设计行车速度60 km/h。隧道建筑限界宽13.75 m，高5 m。拟建东西线隧道间距19.30 m～151 m。隧道最大埋深为164.00 m。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。根据地质测绘、钻探、槽探资料，该隧址区第四系由全新统素填土及晚更新统坡积的含碎石粉质粘土组成，基岩为震旦系细河群桥头组(Zxhq)石英岩夹板岩，部分地段为板岩夹石英岩。地层基岩产状:走向190°～283°，倾向100°～193°，倾角25°～58°。

2 隧道开挖的数值仿真模拟

2.1 计算模型及参数设置

由于该工程规模较大，本文仅选取东线隧道典型断面EK1+660进行模拟，该断面所处的围岩级别为Ⅳ级，其物理力学参数根据工程地质勘察报告和参照文献［7］，其具体取值见表1。根据圣维南原理，本工程确定计算边界在3倍开挖宽度范围内，模型长120 m，宽80 m，高120 m。计算模型的前后左右施加法向约束，底部施加竖向约束，上表面为自由面。

围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。初期支护采用30 cm厚的C30喷射混凝土加双层钢筋网(φ6.5，20 cm×20 cm)，采用实体单元进行模拟;锚杆力学及几何参数为:E=210 GPa，μ=0.3，外径为 25 mm，长度为 4.5 m，抗拉强度为0.31 MPa，采用Cable单元进行模拟。二次衬砌作为安全储备，不予考虑。三种开挖方案工序见图1。

表1 隧道围岩及初期支护计算参数

图1 三种开挖方案工序

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 位移场分析

水平收敛和拱顶下沉是隧道围岩应力变化最直观的表现形式。隧道开挖后，出现临空面，岩体有了变形的空间。由于地应力的局部释放，岩体因卸荷作用而发生位移变化。表2为隧道采用三种开挖方法时的周边位移计算值。隧道开挖支护后，围岩水平位移整体变化不大，右边墙水平位移略大于左边墙位移，两侧边墙向内发生挤压。

考虑到施工过程相互影响的作用，当左导洞开挖完毕后，已经发生一定的位移变化，在右导洞开挖的过程中，因为施工对左导洞继续产生影响，会使左导洞产生的应变持续增加。双侧壁导坑法由于每次开挖范围相对较小，对周边位移影响较小，因此位移变化量最小。

表2 隧道三种开挖方法的周边位移计算值 mm

2.2.2 应力场分析

从三种工法的最大主应力云图可以看出，采用双侧壁导坑法时所受围岩压力不是很大，边墙受力较均匀。导洞法和单侧壁导坑法在隧道开挖支护后最大主应力分布趋势略有不同，但总体的分布趋势为拱顶出现拉应力，仰拱中间也出现一定的拉应力区，两侧边墙部分从拱腰至拱脚出现压应力，拱脚处有不同程度的应力集中现象出现。

由以上分析可知，拱顶、底板和拱脚易出现应力集中现象，是隧道施工中的薄弱部分，应及时采取措施，防止围岩失稳。

3 结语

通过研究大断面公路隧道的三种开挖方法在施工中的影响，得出如下结论:

1)综合三种开挖方法，隧道周边位移场均表现为:拱顶下沉，仰拱隆起，边墙向洞内挤入。拱顶、拱脚、仰拱是应力集中的主要部位，有必要采取局部措施，同时加强对隧道关键部位和薄弱部位的监测。

2)分析比较三种开挖方法围岩的位移和应力变化可知，双侧壁导坑法开挖每次开挖的范围最小，受力更加均匀，因此有助于维持围岩的稳定性。结合本工程的地质条件和施工特点，作者认为双侧壁导坑法在控制围岩变形，减小支护结构受力等方面有良好的经济适用性，因此是该工程的首选。

［1］Gunter Swoboda，Ahmed Moussa.Numerical modeling of shotcrete and concrete tunnel linings［A］.Tunneling and Groun Conditions［C］.Netherlands:AbdelSalam，1994:427-436.

［2］刘长祥，吕常新.三车道大断面高速公路隧道稳定性数值模拟［J］.地下空间与工程学报，2007，3(4):688-693.

［3］蒋树屏，胡学兵.云南扁平状间与工程大断面公路隧道施工力学响应数值模拟［J］.岩土工程学报，2004，26(2):178-182.

［4］段慧玲，张 林.大跨度公路隧道合理开挖方法对比研究［J］.土木工程学报，2009，42(9):114-118.

［5］邹成路，申玉生.软弱破碎围岩大断面隧道台阶法施工几何参数优化分析［J］.公路工程，2013，38(2):27-31.

［6］童建军，王明年.公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究［J］.岩土力学，2011，32(1):515-519.

［7］JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.