摘要 該文依托清林隧道里程Z K52+905.895～Z K53+250段工程，通過數(shù)值軟件建立隧道模型全過程模擬隧道CD法施工，對隧道不同施工步下隧道不同部位的豎向位移、彎矩以及軸力進(jìn)行了研究。研究表明：先行側(cè)導(dǎo)洞上臺階、后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階和中隔壁拆除3個施工階段對隧道豎向位移的影響顯著；拆除中隔壁之前左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂?shù)呢Q向位移；隧道邊墻底容易產(chǎn)生集中現(xiàn)象，在施工過程中該部位彎矩較大，易導(dǎo)致支護(hù)開裂問題；當(dāng)隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形和受力均在設(shè)計值范圍內(nèi)，隧道整體處于安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 隧道圍巖；CD法施工；受力變形；有限元分析

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0078-03

0 引言

為滿足我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需求，各個地區(qū)大力新建交通基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是鐵路、公路等隧道工程的占比越來越大，傳統(tǒng)的機(jī)械開挖和鉆爆法工藝缺點(diǎn)明顯，無論是對周邊環(huán)境，還是對施工安全，都有一定影響。因此CD法、CRD法在公路隧道工程中的應(yīng)用越來越廣泛。

目前不少學(xué)者通過有限元法、試驗(yàn)法、現(xiàn)場實(shí)測法對隧道施工開展了研究。方勐等[1]依托云南省功東高速公路某隧道工程，基于實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了軟弱圍巖隧道臺階法施工的受力變形規(guī)律。黃鋒等[2]基于渝萬高速鐵路孫家灣隧道工程，運(yùn)用監(jiān)控量測和擴(kuò)張卡爾曼濾波非確定性反分析技術(shù)，對隧道掌子面附近圍巖進(jìn)行了分級。魏弘銘等[3]以西溝埡隧道工程為背景，建立4種拱頂沉降回歸模型對該隧道拱頂沉降分析評價。王軍祥等[4]依托某地鐵10號線某車站區(qū)間工程，通過有限元軟件建立三維模型，分析了不同施工時步下圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形。羅劍航[5]以廣東省某在建高速公路隧道為例，利用數(shù)值手段研究了隧道CRD施工過程中圍巖塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律。綜上可見，數(shù)值模擬在隧道工程設(shè)計及施工中的應(yīng)用是可靠的。

為此，該文依托清林隧道工程背景，通過PLAXIS 3D軟件對隧道施工進(jìn)行全過程模擬，分析了不同施工步下隧道的受力變形規(guī)律。

1 工程概況

清林隧道為上、下行分離式三車道隧道，分左線、右線布置，左線設(shè)計隧道里程ZK52+905.895～ZK53+250，長度為344.105 m，與該項(xiàng)目東莞段在洞身位置相接，出口設(shè)計標(biāo)高約106 m，最大埋深86.35 m，縱坡坡度1.40%；右線設(shè)計隧道里程YK52+927.344～YK53+430，長度502.656 m，與該項(xiàng)目東莞段在洞身位置相接，出口設(shè)計標(biāo)高約107.2 m，最大埋深97.07 m，縱坡坡度1.40%。

1.1 地形地貌

隧道位于丘陵區(qū)，地面標(biāo)高約70.34～200.7 m，相對高差約為130.4 m，隧道呈近東西走向穿越丘陵山體，山體地形起伏較大，山體植被茂盛。清林徑水庫距離隧址最近為240 m，勘察期間水庫水面標(biāo)高為50.77 m，隧道路面標(biāo)高較水庫水位高，地下水由隧址區(qū)向水庫補(bǔ)給，水庫對隧道無不良影響。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)鉆探成果，隧道地質(zhì)范圍覆蓋層厚度大，地表未發(fā)現(xiàn)基巖出露，未測得節(jié)理裂隙發(fā)育情況，圍巖鉆孔巖芯為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，黃褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀-短柱狀，巖質(zhì)較硬，局部夾較堅硬砂巖薄層。

1.3 隧道圍巖分級分段劃分及工程特性

根據(jù)隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG

D70—2018），綜合鉆探、物探、調(diào)繪成果，根據(jù)隧道巖體結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度、完整性情況等將該隧道圍巖劃分為IV～V級，具體分級分段情況及圍巖性質(zhì)如表1所示。

2 CD法施工工藝

清林隧道V級圍巖段開挖工法采用CD法開挖施工前需暫停雙側(cè)壁導(dǎo)坑法先行導(dǎo)洞開挖施工，后行導(dǎo)洞趕齊，先行導(dǎo)洞掌子面后實(shí)施CD法開挖法施工，如實(shí)際樁號發(fā)生變化宜做適當(dāng)調(diào)整，具體施工步驟如下：

（1）拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；

（2）先行側(cè)導(dǎo)洞上臺階機(jī)械開挖或者控制爆破開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于2榀拱架長度；

（3）先行側(cè)導(dǎo)洞上臺階初期支護(hù)（安裝鋼拱架、超前小導(dǎo)管、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）；

（4）先行側(cè)導(dǎo)洞下臺階機(jī)械開挖或者控制爆破開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于4榀拱架長度；

（5）先行側(cè)導(dǎo)洞下臺階初期支護(hù)（安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）；

（6）后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階機(jī)械開挖或者控制爆破開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于2榀拱架長度；

（7）后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階初期支護(hù)（安裝鋼拱架、超前小導(dǎo)管、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）；

（8）后行側(cè)導(dǎo)洞下臺階機(jī)械開挖或者控制爆破開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于4環(huán)拱架長度；

（9）后行側(cè)導(dǎo)洞下臺階初期支護(hù)（安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土），拆除臨時側(cè)壁；

（10）澆筑主洞仰拱及仰拱填充；

（11）敷設(shè)防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

3 三維有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場勘察及隧道設(shè)計資料，選取樁號ZK52+950～ZK53+050，通過PLAXIS 3D進(jìn)行建模，為消除模型中邊界對隧道的影響，隧道邊到模型的距離應(yīng)超過3倍隧道直徑，模型長度為100 m，寬度為200 m，高度為60 m。隧道尺寸和掘進(jìn)尺寸按照實(shí)際工況模擬，對三維隧洞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計34 651個單元，61 267個節(jié)點(diǎn)。模型中圍巖本構(gòu)選擇M-C模型，襯砌用實(shí)體單元模擬，超前小導(dǎo)管注漿用軟件內(nèi)置的梁單元模擬。三維模型邊界條件如下：（1）模型底部為水平和豎直方向位移約束；（2）模型四周為水平向位移約束；（3）模型表面為自由邊界，圍巖重度為27 kN/m3，泊松比為0.33，彈性模量為16 GPa，黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為6.6 kPa和41°。

模型共設(shè)置5個施工步：（1）先行側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖；（2）先行側(cè)導(dǎo)洞下臺階；（3）后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖；（4）后行側(cè)導(dǎo)洞下臺階；（5）拆除中隔壁。

4 數(shù)值結(jié)果分析

監(jiān)測斷面（Y=50 m）隧道各位置豎向位移隨隧道掘進(jìn)的變化曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著隧道的掘進(jìn)，隧道不同位置的豎向位移均隨之增大，但不同施工步隧道掘進(jìn)對隧道變形的影響程度不同。施工步1、3、5結(jié)束后，隧道開挖會造成隧道明顯的豎向變形，尤其當(dāng)施工步3結(jié)束后，隧道拱頂、隧道左右拱肩的豎向位移較前一施工步顯著增大，因此當(dāng)后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖時，應(yīng)著重注意隧道的變形，如果豎向變形過大，應(yīng)及時采取進(jìn)一步的保護(hù)措施。在施工初期，左右拱肩的豎向位移有顯著差異，是因?yàn)樽笥覍?dǎo)坑先后施工。當(dāng)先行側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖后，該側(cè)的拱肩豎向位移明顯增大，此時后行側(cè)導(dǎo)洞一側(cè)的拱肩豎向位移變化較小；同理，當(dāng)后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階開挖后，該側(cè)的拱肩豎向位移明顯增大，此時先行側(cè)導(dǎo)洞一側(cè)的拱肩豎向位移增長幅度有限，當(dāng)施工完成后，左右拱肩的豎向變形較為接近。

進(jìn)一步觀察可知，在施工步5之前（即拆除中隔壁之前），左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂?shù)呢Q向位移，因此在實(shí)際施工時，需實(shí)時監(jiān)測這兩個位置的變形，但當(dāng)執(zhí)行施工步5后，隧道的拱頂沉降明顯增大，無論是在累計沉降值還是階段增幅都大于隧道左右拱肩的變形，是由于中隔壁的支撐作用，使得隧道拱頂?shù)淖冃问艿较拗?。因此，在?shí)際施工時，還應(yīng)著重注意中隔墻拆除后隧道拱頂?shù)某两底冃?，以防隧道拱頂變形過大造成隧道失穩(wěn)，由于隧道開挖的卸荷作用，隧道周邊圍巖出現(xiàn)回彈，因此隧道拱底在整個施工過程中為隆起變形，且隆起變形同樣在施工步1、3、5結(jié)束后明顯增大。當(dāng)中隔墻拆除后，由于失去了中隔墻的支撐作用，隧道拱底隆起位移顯著增大，對于隧道施工引起的地表沉降，在整個施工過程中，地表沉降呈緩慢增長的趨勢，當(dāng)施工步5結(jié)束后，最終地表沉降值僅為2.4 mm。

綜上所述，當(dāng)隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形均在設(shè)計值范圍內(nèi)，隧道整體處于安全狀態(tài)。

不同施工步下襯砌不同位置彎矩及軸力的變化曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，在隧道施工過程中，隧道不同位置的彎矩變化規(guī)律各不相同，隧道KBeqZUfhYWrm4Tf/1caGPg==邊墻底的彎矩在整個過程中都較大，是因?yàn)樵撐恢萌菀装l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在實(shí)際施工時，應(yīng)實(shí)時觀察邊墻底是否出現(xiàn)支護(hù)開裂現(xiàn)象，一旦發(fā)生開裂，應(yīng)及時采取相關(guān)措施。對于中隔壁，當(dāng)施工步3結(jié)束后，中隔壁中間位置的彎矩和軸力較上一施工步都有較大的提升，這是因?yàn)樽笥覂蓚?cè)導(dǎo)洞的圍壓不平衡。當(dāng)施工步4結(jié)束后，由于兩側(cè)圍巖均被開挖，中隔壁兩側(cè)無水平力，因此中隔壁中部的彎矩和軸力都減小，尤其是彎矩，因此施工步3結(jié)束至施工步4結(jié)束這一時期，中隔壁由于內(nèi)力較大，容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦中隔壁破壞后，隧道失去豎向支撐，隧道穩(wěn)定性會顯著降低，甚至導(dǎo)致隧道的坍塌，該階段應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測中隔壁的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)及時施加橫撐以防失穩(wěn)。進(jìn)一步觀察可知，當(dāng)中隔壁拆除后，由于失去豎向支撐的作用，隧道拱頂和拱底的內(nèi)力均明顯增大，其中隧道拱底的彎矩迅速由正彎矩變成負(fù)彎矩，該過程中隧道拱底的襯砌有很大的安全隱患。

5 結(jié)論

該文以清林隧道為研究對象，通過有限元軟件建立三維隧道模型，分析了隧道施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律，主要獲得以下結(jié)論：

（1）隧道不同部位的豎向位移隨著隧道的開挖逐漸增大，施工步1、3、5會導(dǎo)致隧道產(chǎn)生明顯的變形，尤其當(dāng)施工步3，在施工步5之前（即拆除中隔壁之前），左右拱肩的豎向位移均大于隧道拱頂?shù)呢Q向位移，因此在實(shí)際施工時，需實(shí)時監(jiān)測這兩個位置的變形。

（2）由于隧道邊墻底容易產(chǎn)生集中現(xiàn)象，因而隧道邊墻底的彎矩在整個過程中都很大，施工時應(yīng)實(shí)時觀察邊墻底是否出現(xiàn)支護(hù)開裂現(xiàn)象，一旦發(fā)生開裂，應(yīng)及時采取相關(guān)措施。

（3）中隔壁的支撐作用使得隧道拱頂和拱底的受力變形得到控制，中隔壁由于內(nèi)力較大，容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦中隔壁破壞，隧道失去豎向支撐，隧道穩(wěn)定性會顯著降低，甚至導(dǎo)致隧道的坍塌。

（4）當(dāng)隧道施工完成后，隧道各個位置的豎向變形均在設(shè)計值范圍內(nèi)，隧道整體處于安全狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]方勐，丁文其，李華，等.基于軟弱圍巖山區(qū)隧道監(jiān)測分析的新工法應(yīng)用展望[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018（S2）：41-47.

[2]黃鋒，王星星，魏源泉，等.基于監(jiān)控量測的隧道圍巖分級方法及其應(yīng)用研究[J].鐵道建筑，2015（6）：50-53.

[3]魏弘銘，范瑛.山區(qū)公路隧道拱頂沉降回歸模型的比選[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2021（2）：91-94.

[4]王軍祥，孫姣姣，陳四利.基于ABAQUS和正交試驗(yàn)的隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018（4）：474-480.

[5]羅劍航.軟弱圍巖大跨度隧道CRD法數(shù)值模擬分析[J].西部交通科技，2017（5）：46-49+84.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：曾明亮（1989—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：道路與橋梁施工。