大跨度變斷面隧道施工過程力學特性及優化研究

舒金會

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 山東濟南 250300)

1 引言

隨著隧道工程實踐經驗積累和計算機技術不斷進步，隧道開挖支護技術有了長足進步和提高。同時由于地形地質等因素影響，分合修段、分岔段的山嶺隧道設計頻頻出現[1]。對于超大直徑變斷面山嶺隧道，根據工程地質條件，結合相應的施工需求，采取合適的開挖工法和施工工序，以及選取合理支護參數對隧道安全性及經濟性尤為重要，而最大斷面開挖面積超過400 m2、最大開挖凈跨度30 m的山嶺隧道較為罕見[2-3]。因此對于分叉段超大斷面山嶺隧道開挖支護結構進行系統性研究和設計，具有很強的工程實踐意義。

近些年來，隨著超大直徑變斷面隧道的興起，國內外眾多學者對其施工安全及穩定性進行了大量研究。周丁恒等[4]詳細闡述四車道特大斷面大跨度隧道施工過程中支護體系應力現場監測方法及手段。馬永峰等[5]對淺埋大斷面大跨度連拱隧道施工變形進行現場監測并分析隧道施工全過程及在不同開挖工序下的變形特點。段杰[6]通過大瑤山隧道施工，詳細介紹了隧道里程長、斷面大條件下的施工方法。官嘉[7]依托某超大斷面隧道工程變截面段施工進行分析，總結了變截面施工難點與技術要點。

本文在前人基礎上借助有限差分軟件FLAC3D對大跨度變斷面隧道開挖支護過程進行三維數值模擬，總結關鍵斷面應變變化規律，分析隧道在施工過程中的變形機理，并提出相應的工序優化方案。

2 工程概況及計算模型

2.1 工程概況

研究以廈門疏港通道工程分岔段為背景，主洞隧道與匝道隧道平交口分岔段由主線3車道隧道逐漸加寬到“3＋2”車道，斷面輪廓寬度由14.45 m(3車道)→16.2 m(FC1)→18.7 m(FC2)→21.45 mm(FC3)→24.95 m(FC4)→28.05 m(FC5)逐步擴大，最大斷面輪廓30.51 m，最大斷面開挖面積421.73 m2，隧道埋深約100 m。

2.2 模型建立

為分析開挖過程中最不利位置，本次模擬以分岔最大斷面處為基礎構建三維地質計算模型。在建模隧道左右邊界和下邊界取隧道邊線加3～5倍開挖直徑的原則下[8-9]，充分考慮工程水文地質條件和支護結構影響建立模型。模擬段由彈性力學原理確定的模型邊界為326×210×215 m，除上表面外，其他表面設置法向約束。本模型采用四面體與六面體網格，共生成104 260個單元與65 885個節點，力學模型選用摩爾-庫倫模型。

2.3 參數選取

根據鉆孔勘探數據，經簡化將巖體以地表以下50 m分為兩層，計算參數如表1所示。

二次襯砌鋼支撐與噴射混凝土兩種支護材料按剛度等效方法等效為一定厚度的shell單元[10]，計算公式:

式中:E為剛度等效后對應shell單元的模量；E1為襯砌噴射混凝土模量；E2為對應鋼支撐模量；I為等效后結構單元整體抗彎慣性矩；I1為混凝土抗彎慣性矩；I2為鋼支撐抗彎慣性矩。

初期支護施工過程中的系統錨桿及加固體采用圍巖等效方式考慮[11]。加固區域等效為系統錨桿支護區域，參數計算公式:

式中:D為系統錨桿直徑；c′0為錨桿-圍巖復合體初始黏聚力；σs為系統錨桿抗拉強度；c0和φ0分別為所加固巖體初始黏聚力與內摩擦角；sa和sc為系統錨桿軸向間距與環向間距。

式中:σ′c和φ′0分別為錨桿圍巖聯合加固體初始抗壓強度及內摩擦角；σc為圍周巖體初始抗壓強度；σ′c與σc的比值取 1.16[12]。

3 施工過程力學特性

3.1 計算思路

優化前后隧道開挖順序及方向如圖1所示，按①～⑧開挖工序對隧道進行開挖，①～④大斷面處采用雙側壁導坑法分部開挖，⑤～⑧小凈距處采用臺階法開挖。

圖1 開挖順序及關鍵截面

在整個區域取1-1～8-8多個斷面，每個斷面取拱底、拱頂、兩側4個點進行監測。

3.2 模擬結果

根據計算過程，可得到開挖段①、②所對應監測斷面1～4的拱頂沉降、拱底隆起和左右側位移隨各施工步變化情況，如圖2所示。

圖2 開挖段①與②監測斷面位移變化曲線

由圖2所知，4個斷面的拱頂沉降與拱底隆起值先緩慢下降，開挖進行到對應斷面附近位移急劇下降隨后再緩慢降低。究其原因為所選取截面均處于每道工序的中間部分，在未開挖到所選斷面時，斷面上各點位移變化都很??；而開挖到斷面附近時，各點位移會發生急劇變化，之后趨于平穩。并且，隨著所選取斷面面積增大，拱頂最大沉降和拱底最大隆起值也有增大趨勢。

開挖段③、④所對應監測斷面位移隨各施工步變化情況如圖3所示。

圖3 開挖段③與④監測斷面位移變化曲線

由斷面5和斷面7曲線可知，開挖段③、④的中段斷面位移與已開挖斷面變化規律基本相同，而斷面6和斷面8變化曲線差異較大。其拱頂沉降位移曲線和拱底隆起位移曲線大致對稱，當開挖步為30～35時(工段③后半部分，即斷面6大斷面方向)，其拱頂沉降位移和拱底隆起位移分別出現急劇下降和上升，但相較于斷面1～4其變化要小很多；開挖步為35～60時，位移曲線緩慢變化；在開挖步達60、65步左右時(即開挖至工段⑤和工段⑥的前半部分)，曲線再次出現較小幅度急劇變化，經3次急劇位移變化后，拱頂位移曲線和拱底隆起曲線最后呈現緩慢下降和上升趨勢。開挖完成后位移與應力云圖如圖4所示。

圖4 開挖完成位移及應力云圖

4 施工工序優化

結合工程實際情況，對工程施工工序進行優化，優化工序見圖1。

開挖段①所對應的監測斷面1、2拱頂沉降、拱底隆起和左右側位移隨各施工步變化對比如圖5所示。

圖5 開挖段①監測點位移變化對比

對于開挖段①監測斷面1、2，由于施工工法未進行修改，其拱頂沉降和拱底隆起變化趨勢基本一致。而監測斷面左右側位移變化則稍有不同，這是因為右洞大斷面隧道開挖順序改變所致。綜上，開挖段①所選監測斷面位移沒有發生太大變化，趨于穩定后數值和優化前保持基本一致。開挖段②所對應監測斷面3、4位移隨各施工步變化情況如圖6所示。

圖6 開挖段②監測點位移變化對比

曲線呈現明顯不同變化趨勢的斷面為斷面4，拱頂沉降和拱底位移不再發生急劇變化，而是分為兩段且表現為較小幅度變化，但拱頂沉降和拱底隆起值與優化前大體一致，這是由于斷面4前后開挖步具有一定時間間隔所致，這也說明工序優化后隧道變形過程調整為分段變形過程，從而降低每一次變形的位移值，以保證施工安全。

開挖段⑤具有超大直徑、變斷面、連接分岔路段等特點，所對應監測斷面5、6拱頂沉降和拱底隆起隨各施工步變化情況如圖7所示。

圖7 開挖段⑤監測點位移變化對比

斷面6位于大斷面隧道和兩段分岔小斷面隧道交界處，拱頂沉降和拱底隆起變化在工序優化后有很大改變，原斷面6拱頂沉降位移曲線包含1段總量較大的急劇下降區段和2段總量較小的急劇下降區段，其余開挖步區段均緩慢下降。由于大斷面開挖拱頂發生急劇下降且量值較大，在兩條分岔小斷面隧道開挖時分別出現兩次較小幅度急劇下降；工序優化后，將兩條分岔小斷面開挖調整在大斷面開挖之前，拱頂先發生兩段總量較小的急劇下降，然后再發生1段總量較大的急劇下降，其沉降總量隨之降低。

與斷面5不同，斷面6左右側水平位移變化曲線差異顯著，優化后斷面6左右側水平位移，在相鄰右洞分岔小斷面(工段⑦)施工時，所受影響明顯減小，甚至可以忽略，證明工序優化大幅降低了隧道變斷面部分的變形。優化后整體位移及應力云圖如圖8所示。

圖8 工序優化后位移及應力云圖

5 結論

本文依托廈門海滄疏港隧道工程運用有限差分程序FLAC3D模擬隧道分步開挖支護過程，對隧道變形機理進行分析，并對開挖工法進行優化。

(1)應用FLAC3D軟件模擬隧道開挖過程，鋼支撐和噴射混凝土支護可按剛度等效法采用shell單元進行計算，而錨桿可采用圍巖等效加固方式考慮。

(2)隧道各監測斷面拱頂和拱底位移相較于兩側水平位移大得多，斷面位移變形主要在工程開挖至監測斷面時產生，且隧道變形一定程度上出現滯后效應。

(3)對于分段開挖的隧道，可以考慮雙向開挖方法，既可以提高施工效率，也能在一定程度上減少隧道變形和對巖土體的擾動。