大跨隧道CD法施工穩定性與力學特征

郝德亮

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司 北京101500）

0 引言

在20 世紀50 年代新奧法提出后，施工方法不斷進步提高，其中CD、CRD 法的研究也層出不窮，在數值模擬方面，蘇培森等人［1］對軟巖隧道圍巖和支護結構的施工力學行為和變形性狀進行研究；何云［2］研究不同錨桿支護條件下大斷面巷道的空間變形規律和圍巖穩定性問題；羅劍航［3］利用有限差分軟件FLAC3D，對軟弱圍巖隧道采用CRD 工法開挖過程中的應力、變形和塑性區的發展歷程進行模擬分析；石常生等人［4］對Ⅳ級圍巖條件下采用的半步“CD”法隧道施工變形規律進行研究，對結構變形提出針對性控制措施；蔡躍龍等人［5］通過有限元分析，證明在使用CRD法進行施工時在各部開挖的拐角處應力集中的程度最大；張佳華等人［6］對Ⅴ級圍巖深埋隧道的三臺階法和CD法進行數值模擬分析；彭剛［7］針對大斷面黃土隧道，數值模擬了設計中的各種施工工藝，驗證各種工藝的使用范圍及優缺點。然而基于上限法及下限法分析CD 工法的整體性的文獻報道很少。對于各開挖步下的安全性到底如何，也廣受建設單位、設計單位、施工單位等所關注。

本文基于強度折減上限有限元與下限有限元法，分析大跨隧道在CD 工法下各開挖步下的上下限穩定系數，以及能量耗散特征，并研究圍巖條件以及跨對穩定性的影響，進而分析其變形受力特性，提出相應的工程措施建議。

1 工程概況

某隧道位于廣東省珠海市橫琴山脈，左洞ZK1+155～ZK1+370（長L=215 m）、右洞YK1+166～YK1+430（長L=264 m），其中SD1 襯砌斷面里程為ZK1+155～ZK1+203、YK1+166～YK1+222，其最大開挖跨度達28.23 m；SD2 襯砌斷面里程為ZK1+203～ZK1+255、YK1+222～YK1+295，其最大開挖跨度達24.16 m；SD3襯砌斷面里程為ZK1+255～ZK1+370、YK1+295～YK1+430，其最大開挖跨度達21.71 m。

圍巖為Ⅲ級，巖性為花崗巖，采用CD 法開挖，如圖1所示。初期支護采用鋼筋網和鋼拱架聯合支護體系。取一號隧道YK1+180 斷面SD1 大跨段作為分析對象。

圖1 施工步序Fig.1 Construction Sequence

2 大跨隧道施工穩定性的極限有限元分析

采用上限有限元與下限有限元法分析大跨隧道在各開挖步下的施工穩定性系數的上限值以及下限值，圍巖采用摩爾-庫倫準則：花崗巖彈性模量為472 GPa，泊松比為0.3，重度γ=25.60 kN∕m3，黏聚力c=0.7 MPa，摩擦角φ=37°；安全系數如表1所示，各開挖部下能量耗散如圖2 所示，為了對比，進一步分析了SD2 大跨段、SD3大跨在各施工步下的安全性，如表2所示。從中可以看出：

表1 SD1大跨段穩定安全系數Tab.1 Stability Coefficient of the Largest Cross Section SD1

⑴隨著開挖步的增加，隧道開挖面積越大，整體安全系數也逐漸降低，但安全系數均大于2，表明隧道穩定。

⑵大跨隧道在拐角位置，應力較集中，如圖2 中的墻角以及拱腳位置，能量耗散較大，所以此處施工應注意加強，特別是保證鎖腳錨桿（管）的安裝質量。

⑶隨著隧道跨度增大，整體安全系數降低；圍巖越差，則整體穩定性要小，如SD2 大跨段、Ⅳ級圍巖地段整體安全性要小于Ⅲ級圍巖地段。

表2 SD2、SD3大跨段穩定安全系數Tab.2 Stability Coefficient of the Large Cross Section SD2，SD3

3 大跨隧道施工力學特性分析

3.1 有限元模型的建立

使用ABAQUS 軟件建立200×120 的二維平面模型，采用實體單元模擬土體結構；采用梁單元模擬初期支護及錨桿結構；模型下部進行X、Y方向的約束，左右邊界約束X方向；開挖過程如圖1所示，施工步序為①右上導坑?②右下導坑?③左上導坑?④左下導坑?⑤拆除中隔壁，在計算分析步時，設置在土體開挖時，先設置開挖區模量衰減40%，隨后施加初期支護及錨桿，之后去除開挖部分，以此來模擬應力釋放［8］。模型網格劃分如圖3所示。

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model Meshing

3.2 圍巖變形分析

以SD1 斷面為例，如圖4 所示。根據數值模擬計算，在每一施工步序開挖后，開挖部的上下中部產生較大位移變化，上部向下沉降，下部向上隆起，且水平位移明顯小于豎向位移，因此使用豎向位移作為判斷的主要依據。拱頂沉降變形，在第三部開挖之后，即左上導坑開挖時會有一次劇烈變形，此時需要注意圍巖變形安全；在起初時左右拱肩處變形有差別，主要是左右導坑開挖順序的原因，在右上導坑開挖后，右拱肩處先變形，隨后在左上導坑開挖后，左拱肩變形，最后左右拱肩處變形相差不大。

圖4 SD1大跨段各施工步豎向位移分布Fig.4 Vertical Displacement Distribution of Each Construction Step of Large Cross Section SD1

在中隔壁拆除之前，右拱肩的下沉值大于拱頂的下沉值，同時在左上導坑開挖后，左拱肩的下沉值也大于拱頂的下沉值，因此在開挖導坑的過程中，應對右拱肩及左拱肩處進行實時監測；而在中隔壁拆除后拱頂的下沉明顯大于拱肩處，且下沉幅度明顯大于之前施工步，說明中隔壁對圍巖起到一定的支護能力，在支護結構穩定的前提下，在中隔壁拆除后，需對拱頂部位的下沉進行監測，以防止拱頂下沉過大而產生不利影響；在導坑開挖時，導坑下部圍巖均會有一定量的隆起，尤其在中隔壁拆除后，仰拱處隆起較大，這是因為巖體開挖卸荷后，土體回彈造成，所以在實際工程中，可以在中隔壁拆除后施加仰拱；而地表沉降則相對較小，應對拱中心處地表進行監測，觀察數據變化，可預報不易觀察的拱頂至地表段土體發生不利變化。

進一步，給出了各大跨段的對比，如表3所示。由于SD1斷面開挖面積最大，其各處變形也最大，SD1斷面拱頂最終沉降11.346 mm，地表最終沉降3.330 mm；SD2 斷面拱頂最終沉降10.930 mm，地表最終沉降2.946 mm；SD3 斷面拱頂最終沉降7.786 mm，地表最終沉降1.985 mm。其最終變形都處于安全范圍，且其變形相差不大，這在斷面交界處也有利于圍巖穩定。

表3 各斷面分析點最終位移對比Tab.3 Comparison of the Final Displacement of the Analysis Points of Each Section

3.3 噴射混凝土內力分析

如圖5～圖7 所示，從彎矩來看，墻角處的彎矩值一直較大，從軸力來看，墻角與邊墻處的軸力也僅次于中隔壁，對于扁平狀的隧道開挖，墻角及邊墻處也極易產生應力集中，所以對墻角及邊墻處也應該重點監測，若有支護開裂情況，應及時進行安全警報。

中隔壁在左上導坑開挖后軸力和彎矩都急劇增大，其作為豎向支撐，軸力值顯然較大，再加上當彎矩過大時，中隔壁極易失穩，發生破壞，所以在施工時需對中隔壁進行重點觀測，監測其穩定性并且觀察是否開裂，必要時施加橫撐或者其他保護措施以防止失穩。自右下導坑開挖后，仰拱處的彎矩值巨大的變化可能是由于仰拱處的圍巖產生極大的向上隆起，同樣在實際工程中，可以待中隔壁拆除后施加仰拱來保護圍巖。

圖5 各施工步序關鍵點彎矩及內力Fig.5 Bending Moments and Axis Force of Key Points in Each Construction Step

圖6 各開挖步下初噴軸力分布云圖Fig.6 Contour of Primary Support Axial Force Distribution

圖7 各開挖步下初噴彎矩分布云圖Fig.7 Contour of Primary Support Moment Distribution

因為圍巖變形向內擠壓，所以初噴軸力多為受壓，且數值較大，由于初噴緊貼巖壁，因而受拉區域均在圍巖位移較大的地方，在各個施工步后，軸力較大處多位于開挖坑洞的洞腳處；中隔壁在壁頂、壁底及壁中處彎矩值較大，在中隔壁拆除后，彎矩值較大處也集中在拱頂、邊墻、拱腳及仰拱等部位。因此，隧道拱頂、墻腳、邊墻、仰拱及中隔壁壁中處的單元應力處于最可能不利點。

3.4 錨桿內力分析

在隧道施工中，錨桿的支護機理在于支護結構中錨桿深埋于圍巖之中，將圍巖加固在一起，使圍巖自身支護自身，因其對圍巖的約束力是通過錨桿與圍巖之間的剪應力傳遞的，所以錨桿在圍巖之中大多受拉力［9，10］。

圖8 為各施工步序錨桿軸力分布云圖，通過軟件處理，將錨桿受壓部分顯示為黑色，同樣可以看出錨桿大多受拉，使用有限元數值模擬，就可以單獨觀察錨桿受力，以確定圍巖穩定狀態。通過圖8，可以看出在中隔壁拆除之前的各施工步序中，位于拱頂和各開挖洞的洞腳處錨桿受壓，但數值較小，在其余位置大多受拉，且其值在一定的范圍內波動，實際上，在ABAQUS 軟件中，將錨桿內嵌到圍巖中，即相當于提升圍巖的黏聚力，錨桿軸力分布受圍巖位移變化、復雜應力等的影響，針對在拱頂及各開挖洞洞腳極小范圍內，鄰近錨桿軸力相差極大的情況，建議在拱頂、各開挖洞洞腳處進行安全監控。

圖8 各開挖部下錨桿軸力分布Fig.8 Contour of Anchor Axis Force Distribution

4 結論

⑴隨著隧道跨度增大，整體安全系數降低；圍巖條件差，整體安全系數降低；隧道開挖部增大，開挖斷面變大，安全系數降低。但各部安全系數均大于1.5，表明采用CD法施工整體安全性滿足要求。

⑵開挖跨度越大，圍巖變形越大；各施工步下，圍巖豎向位移大于水平位移，較大值發生在開挖部范圍周邊的中部；豎撐拆除前，最大沉降發生在拱肩，拱頂由于豎撐的約束，位移較??；而拆撐后，拱頂沉降變化很大，仰拱位移也變化很大，豎撐能很好控制變形，拆撐應避免縱向一次拆得過大，必要情況下，可以先修仰拱，后拆豎撐。

⑶中隔在壁頂、壁底及壁中處彎矩值較大，且中墻的軸力較大，易發生失穩，建議加強橫向聯系或約束；中隔壁拆除后，彎矩值較大處也集中在拱頂、邊墻、拱腳及仰拱等部位，也是應力較集中部位，施工應注意，保證鎖腳錨桿等安設質量。