磨盤坡隧道開挖方案優(yōu)化研究

石龍飛 龔貴友

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

0 引言

在大跨度、大斷面隧道開挖過程中，通常采用臺階法或者分部開挖法這兩種方法及由其演變的開挖方法，即采用分層分塊、逐塊逐段形成隧道設(shè)計斷面的開挖方式[1,2]。

1 依托工程概況

隧道總長170m，為短隧道。隧道凈寬：12m（8m車行道，4m人行道），采用拱高7.4m，上圓半徑為6.3m的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，端墻式門洞，該隧道為單洞雙向行駛兩車道，設(shè)計車速40km/h的三級公路。

2 隧道開挖三維數(shù)值模擬分析

本文采用有限元巖土分析軟件MIDAS對磨盤坡隧道不同工法下的開挖過程進行三維數(shù)值模擬分析。

2.1 計算模型的物理參數(shù)選取

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》[3] ，以及本工程實際情況，論文中有限元模型中，采用Ⅴ級圍巖，所用參數(shù)如表1所示。

表1 模型計算物理力學(xué)指標

大跨度、大斷面隧道的結(jié)構(gòu)特點與受力特性決定了最好采用分步開挖、分部支護的方式，因此選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步開挖法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和上下兩臺階法，分別進行開挖全過程動態(tài)數(shù)值模擬，有限元計算模型如圖1所示。

圖1 四種有限元計算模型

2.2 計算結(jié)果分析

由圖2-圖5可知，如果只單獨考慮隧道施工安全本身，從最直觀的整體結(jié)構(gòu)最大豎向位移和水平位移綜合分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于三臺階七步開挖法優(yōu)于上下二臺階法，均在磨盤坡隧道拱頂沉降限制值為50mm，預(yù)警值為34mm的范圍內(nèi)，四種工法對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)整體豎向、水平位移，關(guān)鍵點位水平位移的結(jié)果，均滿足要求，在規(guī)定范圍內(nèi)。

3 開挖方案比選

3.1 建立遞階層次的結(jié)構(gòu)模型

對于磨盤坡隧道四種不同開挖方案比選，其總體層次計算如下表2所示。

表2 磨盤坡隧道開挖方案排序

3.2 比選排序并確定最終方案

在以B1施工安全、B2工程質(zhì)量、B3施工成本、B4施工進度、B5施工技術(shù)要求為標準層的條件下，各方案層權(quán)重從大到小排序為：上下二臺階法為0.4312，三臺階七步開挖法為0.2163，單側(cè)壁導(dǎo)坑法為0.1918，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為0.1607。上下二臺階法相對于其他三種開挖方案有巨大優(yōu)勢，改為洞口淺埋段采用三臺階七步開挖法、隧道深埋段采用上下二臺階法。

4 結(jié)論

（1）采用四種不同的工法，隧道拱頂?shù)某两抵稻谙拗浦祪?nèi)，且對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)整體豎向、水平位移值和關(guān)鍵點位水平位移值，均在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2)引用運籌學(xué)理論知識里的層次分析法，可得四種工法中上下二臺階法優(yōu)勢巨大，選用具有代表性的四種不同上下二臺階法進行數(shù)值模擬，最決定對磨盤坡隧道采用二臺階新四步開挖法。