大跨度隧道開挖方案優(yōu)化研究

石龍飛

摘要：文章以烏尉隧道為工程依托，采用有限元分析軟件MIDAS GTS對隧道開挖過程進行三維數(shù)值模擬分析，開展了大跨度、大斷面隧道開挖方案比選、優(yōu)化研究。研究表明：在采用二臺階新四步開挖法時，選取洞跨最寬分界處的0.68 H作為上臺階高度，選取L=9～12 m范圍內(nèi)數(shù)值作為臺階長度，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度隧道;三維數(shù)值模擬;開挖方案優(yōu)化

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[1-2]。當隧道采用分部開挖法，雖可有效縮短隧道開挖掌子面暴露時間，對圍巖變形的限制有良好的效果，然而不斷反復(fù)加載、減載的臨時荷載，會使圍巖的應(yīng)力、位移都發(fā)生巨大變化。因此在綜合各種影響因素下，選取最適合本工程的大跨度、大斷面隧道施工開挖方案，并對該施工開挖方案進行優(yōu)化，以縮短建設(shè)周期和節(jié)省施工成本。

雖然國內(nèi)外的科研、設(shè)計和施工單位都對大跨度、大斷面隧道進行了很多的理論研究和現(xiàn)場實踐，也獲得了較多的科研結(jié)果[3-5]，但是對于大跨度、大斷面隧道施工開挖方案的選擇還有許多需要優(yōu)化的地方。

1 依托工程概況及地質(zhì)情況

1.1 隧道情況

隧道總長為1 392 m，凈寬為14 m，拱高為7.15 m。該隧道為右線的單向兩車道，設(shè)計車速為100 km/h。

1.2 地形地貌與地層巖性

擬建隧道通過構(gòu)造剝蝕低中山-突出山脊及其側(cè)向山丘，地形起伏較大。據(jù)地面調(diào)查及鉆探揭露，場地出露地層有新生界第四系全新統(tǒng)人工填筑層（Q4 me）、崩坡積層（Q4 c+dl）、沖洪積層（Q4 al+pl）、下石炭統(tǒng)奇爾古思套群（C1qr）。

2 隧道開挖三維數(shù)值模擬分析

本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS對隧道不同工法下的開挖過程進行三維數(shù)值模擬分析。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》[6]，以及本工程實際情況，在有限元模型中，采用Ⅴ級圍巖，所用參數(shù)如表1所示。

本文計算模型縱向取160 m，橫向取86 m，下部邊界取距離洞底32 m高度，上部邊界取至地表，如圖1所示。

3 開挖方案優(yōu)化

3.1 上下二臺階法不同方案比選

本文選取比較有代表意義的傳統(tǒng)上下二臺階法、預(yù)留核心土臺階法、二臺階帶仰拱開挖法和二臺階新四步開挖法，對四種上下二臺階法進行數(shù)值模擬分析和比選。

3.1.1 四種不同上下二臺階法有限元模型（見圖2）

3.1.2 計算結(jié)果分析

如圖3所示，在四種不同工法條件下的隧道拱頂沉降值中，最小的是二臺階帶仰拱開挖法，為11.62 mm，其次是二臺階新四步開挖法，為11.90 mm，再次是傳統(tǒng)二臺階法，為12.54 mm，最后是預(yù)留核心土臺階法，為13.16 mm。根據(jù)上下二臺階不同方案比選和分析，綜合考慮工期、安全性等因素，決定對隧道采用二臺階新四步開挖法開挖方案。

3.2 二臺階新四步開挖法臺階高度優(yōu)化

之前比選不同上下二臺階法時，均選取上下臺階分界在洞跨最寬處，距離拱頂7.15 m，占整個洞高7.15/10.52≈0.68 H?，F(xiàn)對臺階高度進行優(yōu)化，分別取臺階高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.7 H、0.75 H進行數(shù)值模擬計算，與之前的0.68 H共六組情況進行比選分析。

3.2.1 不同臺階高度有限元模型（見圖4）

3.2.2 不同臺階高度二臺階新四步開挖法結(jié)果分析

根據(jù)豎向位移圖5～7分析，主要選擇0.6 H～0.7 H這個范圍臺階高度;而在水平位移圖8～9分析中，在確定的這個高度范圍區(qū)間內(nèi)，對水平位移控制最好的是0.7 H，其次是接近的0.68 H，再次是0.65 H。綜合考慮隧道開挖后鋼拱架架設(shè)的難易程度和受力情況以及工地現(xiàn)場對鋼拱架加工的難易程度等因素，決定選取上下臺階在洞跨最寬分界處的0.68 H作為二臺階新四步開挖法的上臺階高度。

3.3 二臺階新四步開挖法臺階長度優(yōu)化

對已選定采用0.68 H臺階高度的二臺階新四步開挖法進行臺階長度優(yōu)化。在《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》6.2.2中，對臺階法中臺階長度進行了規(guī)定：臺階長度不宜超過隧道開挖寬度的1.5倍。本隧道最大開挖跨度為14 m，因此分別選取臺階長度為3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共計7組進行數(shù)值模擬分析。為使計算的差異全部是由于不同臺階長度導(dǎo)致的，所以除7組上下臺階長度不同外，其余變量皆相同。

3.3.1 不同臺階長度有限元模型（見圖10）

3.3.2 不同臺階長度二臺階新四步開挖法結(jié)果分析

根據(jù)豎向位移圖11～13分析，主要選擇L=6 ～18 m這個范圍臺階長度;而在水平位移圖14～15分析中，為避免“波峰”的出現(xiàn)，盡量避免選擇L=15 m、L=18 m、L=21 m較長臺階長度的開挖工法。豎向、水平位移分析范圍取交集，便是L=6～12 m這個范圍的臺階長度。綜合考慮隧道開挖后為方便大型機械迅速出渣和初支臺車入場架設(shè)鋼拱架需要的作業(yè)空間，決定選取L=9～12 m這個范圍臺階長度作為二臺階新四臺階長度。

4 結(jié)語

（1）由于上下二臺階法演變多樣，選用具有代表性的四種不同的上下二臺階法進行數(shù)值模擬。通過對比隧道結(jié)構(gòu)整體豎向位移、水平位移，綜合考慮工期、安全性等因素，決定對烏尉隧道采用二臺階新四步開挖法。

（2）對二臺階新四步開挖法，分別取臺階高度0.55 H、0.6 H、0.65 H、0.68 H、0.7 H、0.75 H六組不同臺階高度進行數(shù)值模擬，綜合考慮隧道開挖后鋼拱架架設(shè)的難易程度和受力情況以及工地現(xiàn)場對鋼拱架加工的難易程度等因素，最終決定選取上下臺階在洞跨最寬分界處的0.68 H作為二臺階新四步開挖法上臺階高度。

（3）對二臺階新四步開挖法，分別取臺階長度3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m共7組不同臺階長度進行數(shù)值模擬，綜合考慮隧道開挖后為方便大型機械迅速出渣和初支臺車入場架設(shè)鋼拱架需要的作業(yè)空間，決定選取L=9～12 m這個范圍臺階長度作為二臺階新四步開挖法臺階長度。

參考文獻：

[1]EL-NAHHAS F，EL-KADI F，AHMED A.Interaction of tunnel linings and soft ground[J].Tunnelling & Underground Space Technology，1992，7（1）：33-43.

[2]LOW H Y，HAO H.Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading[J].Structural Safety，2001，23（2）：157-178.

[3]蔣樹屏，胡學(xué)兵.云南扁平狀大斷面公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（2）：178-182.

[4]孫 翔.四車道公路隧道的施工力學(xué)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[5]宮成兵，張武祥，楊彥民.大斷面單洞四車道公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方案探討[C].中國土木工程學(xué)會年會，2004.

[6]JTG/TD70-2010，公路隧道設(shè)計細則[S].