大斷面隧道CD法和CRD法施工力學特性分析

張孟帥, 曾博文,2, 范宇航

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，我國交通隧道建設取得了前所未有的發(fā)展，隨著隧道施工技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了越來越多的大斷面隧道。區(qū)別于標準斷面隧道，大斷面隧道是具有扁平形狀的拱形結(jié)構(gòu)，開挖后的應力重分布將變差，底腳處的應力集中過大，會出現(xiàn)一系列的力學問題，因此有必要對大斷面隧道施工力學進行研究以確保大斷面隧道施工過程中的安全性。

許多學者已經(jīng)對大斷面隧道展開了相關(guān)研究，如孟伶俐[1]等人建立了大斷面隧道三維施工開挖模型，并將數(shù)值模型得到的地表沉降與實際地表沉降值進行了分析比較；夏才初[2]等人基于現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析了隧道圍巖和支護系統(tǒng)的變形及受力特點；吳張中[3]等人通過等代圓法將側(cè)向擴挖隧道斷面簡化為雙連通域問題，結(jié)合復變函數(shù)理論推導出了側(cè)向擴挖隧道復應力函數(shù)的具體形式；周丁恒[4]等人以國內(nèi)規(guī)模最大的雙洞八車道高速公路隧道為背景對不同施工工序下隧道支護體系力學性態(tài)進行了監(jiān)測與分析；曠文濤[5]以武廣客運專線瀏陽河隧道為工程背景，對淺埋大斷面隧道超前預加固工法圍巖穩(wěn)定性影響因素進行了系統(tǒng)研究；李利平[6]等人以蘭渝線兩水隧道為背景開展了超大斷面隧道開挖的大比尺三維模型試驗，分析了不同施工過程中隧道圍巖受力和變形的三維空間演化規(guī)律；郭成龍[7]利用Abaqus軟件分析了隧道洞身加寬段雙側(cè)壁導坑法與CD法施工下隧道開挖過程中圍巖的力學特性。

本文基于有限元軟件Ansys，建立三維動態(tài)施工模型，分析CD法和CRD法施工對于隧道安全性的影響。

1 大斷面隧道力學特性與施工方法研究

大斷面隧道的基本劃分可參考國際隧道協(xié)會給出的斷面劃分建議(表1)。

與接近圓形的雙車道斷面比，扁平的拱形結(jié)構(gòu)隧道具有以下特征：

(1) 開挖后的應力重分布變得不利：在土體介質(zhì)為彈性且處于靜水壓力場的假設下，通過彈性力學解析解可以求得開挖后坑道周邊的最大主應力是初始應力的2倍，而對扁平的大斷面隧道而言，開挖后的最大主應力為初始應力的3倍左右，圍巖即使有很大的強度也會出現(xiàn)塑性化；

(2) 拱腳處應力集中過大，所要求的地基承載力也較高；

(3) 拱頂?shù)牟环€(wěn)定性增大；

(4) 隧道的高度和寬度越大，產(chǎn)生承載拱所需要的埋深就越大，在埋深較小時會產(chǎn)生較大的松弛壓力。

表1 國際隧道協(xié)會的斷面劃分

目前，大斷面隧道施工主要是將大斷面化為小斷面，實施分部開挖。如傳統(tǒng)的礦山法中的上半斷面超前短臺階法、CD法、雙側(cè)壁導坑法、CRD法等(圖1)，也有將TBM與礦山法相結(jié)合，先利用小斷面TBM掘進超前導坑，而后用爆破法進行擴大的方法。

圖1 CD及CRD法開挖工序示意

2 計算模型及參數(shù)

該四車道高速公路隧道的襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。初期支護全環(huán)采用C25網(wǎng)噴混凝土，厚度28 cm，內(nèi)設工20b型鋼加強，鋼架縱向間距為80 m；二次襯砌為C30鋼筋混凝土，厚度為55 cm。隧道處于低山區(qū)，自然坡度平緩，植被發(fā)育。地層為中風化～弱風化灰?guī)r，埋深15 m，地下水不發(fā)育。綜合評定圍巖等級為Ⅳ、Ⅴ級。

圖2 隧道斷面

計算所用圍巖的屈服準則采取D-P屈服準則，初支和二襯分別為彈性材料，材料具體取值如表2所示；為去除隧道開挖的邊界效應，模型長、高分別為160 m、98.15 m，縱向長度取150 m，單步開挖長度為5 m。由于CD法和CRD法唯一的不同點是是否設置臨時仰拱，故兩個工況可采取同一模型，在激活單元時有所區(qū)分便可以實現(xiàn)兩種施工方法的模擬；初支采用shell單元，二襯和圍巖采用solid單元。模型如圖3及圖4所示。

表2 材料參數(shù)

圖3 整體模型示意

圖4 局部模型示意

3 計算結(jié)果

3.1 地表沉降

隧道掌子面開挖至中部斷面、即Z=75 m時，此時隧道整個斷面只有1部分開挖，2～4斷面分別落后掌子面5 m、10 m、15 m，故地表沉降值非嚴格沿拱頂?shù)乇睃c對稱，由圖5可以看出，CRD法橫向影響范圍共計35.2 m，而CD法的橫向影響范圍更廣，共計38 m，就具體值而言，CRD法產(chǎn)生的地表最大沉降為0.118 mm，CD法較大為0.123 mm。地表沉降值具體如圖5所示。

圖5 監(jiān)測斷面地表沉降值

3.2 中間斷面各測點位移

豎向位移云圖如圖6及圖7所示。監(jiān)測點位置如圖8所示，以隧道中部地表斷面為目標面，分別提取A、B兩點的豎向位移和C、D兩點的橫向位移值。結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖6 CRD法

圖7 CD法

圖8 監(jiān)測點布置示意

圖9 A、B兩點豎向位移曲線

圖10 C、D兩點橫向位移曲線

由圖9可以看出，Z=75 m斷面拱頂?shù)某两抵狄约肮暗椎穆∑鹬翟陂_挖至此斷面前幾乎不受影響，開挖經(jīng)過此斷面后，豎向位移不斷增大，在距離掌子面45 m后趨于穩(wěn)定。兩種工法產(chǎn)生的位移值CD法略大，拱頂沉降值為1.660 4 mm，仰拱處隆起值為2.263 6 mm，CRD法開挖造成的拱頂沉降值為1.594 3 mm，仰拱處隆起值為2.217 8 mm。

由圖10可以看出，Z=75 m斷面拱腰收斂值在掌子面到達此段面前幾乎不受影響，隨后劇烈發(fā)展，開挖后短時間內(nèi)向隧道內(nèi)收斂，直至二襯施作后拱腰向洞外收斂，在距離掌子面40 m時趨于穩(wěn)定。兩種工法的拱腰收斂位移幾乎一致，CD法產(chǎn)生拱腰收斂值約為0.1 mm，CRD法較小，為0.089 mm。

3.3 掌子面擠出位移

由于隧道非全斷面開挖，在一個斷面位置處可能各部分擠出變形會有微小差異，故在每個部分取一個點，用這四個點的擠出變形的平均值表示該斷面的擠出變形值(圖11)。結(jié)果如圖12所示。

圖11 擠出變形監(jiān)測示意

圖12 掌子面擠出變形曲線

由圖12可以看出，在距離掌子面較遠時，擠出位移緩慢發(fā)展，當距離掌子面5 m時，變形劇烈發(fā)展，CD法最終擠出變形值為0.209 mm，CRD法較小，為0.095 mm。

3.4 二次襯砌內(nèi)力分析

Ansys中不提供實體單元直接查看其截面彎矩及軸力的功能，此處選取拱頂、拱肩、拱腰、墻角及仰拱中心幾個控制點，選取這些位置處的單元并選擇單元一側(cè)節(jié)點，將一側(cè)節(jié)點的節(jié)點力在局部坐標系下對單元中心點求矩便得到該截面的彎矩，同樣，在局部柱坐標系下對節(jié)點力進行矢量相加，其在局部坐標系下的y分量即截面軸力。并通過JTGD 70-2004《公路隧道設計規(guī)范》中破損階段法計算安全系數(shù)的方法計算每個截面的安全系數(shù)，結(jié)果如表3及表4。

由表3及表4可知，CD法和CRD法得到的截面內(nèi)力中，墻腳處軸力及彎矩最大，這是由隧道截面形式?jīng)Q定的，前已述及扁平大斷面隧道墻角會出現(xiàn)較大的應力集中，開挖后的應力重分布狀態(tài)也較差，所以這也造成了墻角處的安全系數(shù)最小，已接近規(guī)范中規(guī)定的最小值2.0； 兩種工法下，較CRD法，CD法的截面內(nèi)力較大，相對的安全系數(shù)較小。

表3 CRD法截面內(nèi)力及安全系數(shù)

表4 CD法截面內(nèi)力及安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文對大斷面隧道的力學性質(zhì)進行了理論分析，并通過有限元建模分析了CD、CRD工法應用于大斷面隧道時的力學響應，得到了以下結(jié)論：

(1)大斷面隧道開挖后墻腳會出現(xiàn)應力集中，應力重分布較差，不宜采用全斷面開挖；

(2)大斷面隧道施工的核心理念是將大斷面分割為小斷面，實行分布開挖，及時支護形成閉合的承載圈；

(3)較之CRD法，CD法施工引起的地表沉降、隧道輪廓線周邊位移收斂值、掌子面擠出變形、截面內(nèi)力均要略大于CRD法，主要原因便是CRD法在開挖完成后立即施作初襯、中隔墻及臨時仰拱，每一部分的支護均能閉合成環(huán)，這對于掌子面的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的；就襯砌結(jié)構(gòu)安全性來講，兩種工法均能安全應用于大斷面隧道，不過由于墻腳安全系數(shù)較低，建議在實際施工中墻腳處采用加強措施，比如安置索腳錨桿、加強墻腳混凝土等級等。

[1] 孟伶俐,孫賓,鄧凡.地鐵大斷面隧道開挖方法選取三維模擬計算分析[J].西部探礦工程,2006(1):152-153.

[2] 夏才初,龔建伍,唐穎,等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究[J].巖石力學與工程學報,2007(1):44-50.

[3] 吳張中,徐光黎,吳立,等.超大斷面隧道側(cè)向擴挖施工圍巖力學特征研究[J].巖土工程學報,2009,31(2):172-177.

[4] 周丁恒,曹力橋,馬永峰,等.四車道特大斷面大跨度隧道施工中支護體系力學性態(tài)研究[J].巖石力學與工程學報,2010,29(1):140-148.

[5] 曠文濤.超前預加固大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素研究[D].成都: 西南交通大學,2010.

[6] 李利平,李術(shù)才,趙勇,等.超大斷面隧道軟弱破碎圍巖空間變形機制與荷載釋放演化規(guī)律[J].巖石力學與工程學報,2012,31(10):2109-2118.

[7] 郭成龍.復雜地質(zhì)條件下大斷面隧道施工過程優(yōu)化及研究[D].河南工業(yè)大學程程學報,2015(3):112-120.

住房城鄉(xiāng)建設部批準《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》、

《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》、《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》為國家標準

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部公告第1417號批準《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》為國家標準，編號為GB/T51233-2016，自2017年6月1日起實施。

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部公告第1418號批準《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》為國家標準，編號為GB/T51232-2016，自2017年6月1日起實施。

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部公告第1419號批準《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》為國家標準，編號為GB/T51231-2016，自2017年6月1日起實施。

三個標準由中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部標準定額研究所組織中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行。

(來源：住房與城鄉(xiāng)建設部網(wǎng)站)