基于数值模拟的浅埋软弱围岩大断面隧道施工工法对比研究

赵原野

中交隧道局第四工程有限公司

基于数值模拟的浅埋软弱围岩大断面隧道施工工法对比研究

赵原野

中交隧道局第四工程有限公司

为了浅埋软弱围岩大断面隧道在施工的时候找到适合的施工方法，以某浅埋软弱围岩大断面隧道施工为主要依托，采取数值模拟的方式，在其中建立浅埋软弱围岩大断面隧道施工的力学模型，通过对隧道新的施工方法以及常用CRD、CD法、三台阶法等施工方式进行深入比较，对动态分部工法施工的优缺点进行比较，并论证这种新的工法在工程施工中应用的可行性。

数值模拟；浅埋软弱；围岩大断面；隧道施工

近年来，我国基础建设发展迅速，隧道工程朝着大方向、长方向发展，且长隧道及大隧道建设本身就具有很大难度。尤其当长隧道和大隧道遇到浅埋大断面或软弱围岩等情况时，使隧道施工的风险大大加剧[1]。现今，隧道施工使用的主要方法有CRD、CD法以及三台阶法。施工方法的科学与否直接关系到隧道施工的成败，这也是隧道施工技术人员面临的主要问题。

一、隧道常用的施工工法以及开挖工序

（一）CRD法

此法的主要施工工序有：对隧道左上1进行开挖，并进行支护；其次，对左中部2进行开挖并进行支护；再次，对左下部、右上部、右中部进行开挖并进行支部；最后对隧道右下部6进行开挖，并对其中的临时支护进行拆除，施作二次衬砌工作。

（二）CD法

该项工法的主要施工工序有：首先，对隧道左上部1进行开挖并开展支护工作；其次，对隧道左中部2进行开挖，并展开支护工作；第三，对左下部3开展开挖工作；第四，对隧道右上部4进行开挖并展开支护工作；第五，对隧道右中部5开挖并进行支部；第六，对隧道右下部6进行开挖，并进行支护；第七，对临时支护进行拆除；第八，进行仰拱施工后，进行回填；最后，进行二次衬砌工作。

（三）三台阶法

在利用这个方法时，其主要施工工序有：首先对隧道上台阶1进行开挖并对其开展支护；其次，对隧道中台阶2进行开挖并对其进行支护；再次，对隧道下台阶3进行开挖并开展支护；并对其实施仰拱施工，最后，开展二次衬砌施工[2]。

（四）双侧壁导坑法

主要的施工工序有：首先，对隧道左上导坑进行开挖并进行支护；其次，对左下导坑进行开挖并进行支护；再次，对隧道右上导坑、右下导坑进行开挖并支护；最后对隧道中间上导坑、中间导坑中部以及中间导坑下部进行开挖，拆除其中的临时支护，并施作二次衬砌。而动态分部开挖工法是将台阶法、CRD法进行充分融合，并将隧道上台阶分为左右两个部分，将中隔墙设置为直墙。其次，对隧道中台阶进行开挖。最后，对隧道下台阶进行开挖。

（五）动态分部工法

隧道软弱地层常用的施工方法除了CD法、CRD法以及双侧壁导坑法之外，还有动态分部工法。其核心内容为：先将上台阶分成左、右两个部分，并将中隔墙由以前的曲墙变为直墙，临时仰拱及中台阶的中隔墙根据现场地质情况适当增设。该工法各工序间干扰少，操作简单、安全可靠，适合中、大型机械施工，实现了不均匀地层隧道施工工法的快速、便捷转换，减少了临时支护工程量，降低了投入经济成本，可极大降低工程造价。

二、数值计算分析

（一）计算模型与参数

在模型计算过程中，左右需分别取至隧道中线外40m，模型底部边界应取隧道底部30m范围内，上边界可根据埋深的实际深度取到地表。模型左右边界的实际设置水平都应受到一定约束，下边界则需要设置竖向约束，而上边界不做要求。围岩应该采用平面单元进行模拟，并对Mohr-Coulomb准则进行服从。在开展初期支护及临时支护、二次衬砌工作时，都应利用梁单元进行模拟，并按照弹性材料进行模拟。围岩以及支护结构的材料力学参数都有具体要求。

（二）计算结果与分析

1.地表沉降

选用的施工工法不同，地表产生的最终沉降曲线规律也不同，其中最大沉降位置都是在隧道中线附近，在实际施工中需保持一致。施工工法不同，隧道开挖所引起的地表相同位置出现的沉降大小一般可满足以下关系：三台阶施工法沉降最大，动态分部施工工法产生的沉降最小，其余工法所产生的沉降在两者之间。隧道中线具有相等距离时，施工工法不同所产生的地表沉降也呈现出一定的规律。一般来说，三台阶法在开展施工工作时，隧道两侧发生的地表沉降大致相等，两侧也呈现出基本对称的特点。CD法以及CRD法在进行施工的时候，隧道开挖侧的沉降值相比较后开挖侧的沉降值较小。而采用动态分部工法以及双侧壁导坑法进行施工，所产生的沉降值刚好与CD法以及CRD法相反。因此，隧道开挖所导致地表出现沉降的规律与隧道施工的开挖时机以及施工工序有着显著联系。CD法、CRD法以及双侧壁导坑法要想在施工的时候对应力释放进行减小，需采用对隧道开挖跨度进行缩小的方式来开展。而三台阶法主要是隧道纵深方向对开挖距离进行缩小而使得应力释放得到减小。经计算得出，对隧道开挖跨度进行横向缩小的工法所产生的地表沉降较小。这是因为临时支护结构自身具有一定刚度，其对围岩产生的竖向变形进行了约束，并对隧道围岩变形发展产生了进一步抑制。总的来说，就对地表沉降进行控制的效果来看，动态分部施工在这个过程中的优势更加明显。

2.洞内位移

在工法不同的施工条件下，拱顶以及拱腰随着隧道施工时所采用的工序沉降规律以及收敛规律都有一定差异。不同施工工法，隧道拱顶出现的沉降一般是三台阶法出现的沉降最大，而动态分部施工时所产生的沉降最小，这与地表沉降发生的规律也是一致的。利用动态分部工法进行施工的时候，其产生的拱顶沉降值约达到隧道工法的一半左右，因此，动态分部施工和对隧道横向跨度进行缩小可使隧道周边发生的位移情况得到有效限制。

结语

从位移控制效果及其力学特点来看，在工程中实施动态分部工法，可以使得地表变形以及隧道受力状态被有效控制。在这种条件下，对于浅埋大断面隧道来说，利用动态分部工法进行施工，所产生的可靠性更高，也可对隧道施工的实际安全进行保证。

[1]陈秋南,王勤荣,谢小鱼,李松.扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状[J].公路交通科技,2012,09：89-94.

[2]田佳,刘军,王改鹏.三台阶七步法在大断面浅埋偏压软弱围岩隧道中的应用[J].隧道建设,2012,S1：85-89.