破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究.kdh

文章编号：1000－7598－（2007）增刊－0469－05

破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究

汤劲松12，刘松玉1，童立元1，喻 军1

，

（1. 东南大学 交通学院，南京 210096；2. 石家庄铁道学院 土木工程分院，石家庄 050043）

摘 要：三车道高速公路隧道通常跨度较大、高跨比较小属于大跨扁平隧道。这种结构型式对围岩稳定和结构受力均产生不利影响，因此施工中有必要通过开挖方案比选确定合理的开挖方法。江苏省宁波—常州高速公路茅山东隧道为上下行分离式双向6车道浅埋大跨扁平隧道。对于破碎的Ⅳ级围岩，针对设计阶段拟采用CRD法和实际施工采用下断面左右分部台阶法的开挖方案在设计支护条件下的三维数值模拟，从理论上分析了下断面左右分部台阶法是可行的。与实际施工过程的监控量测结果进行对比分析，进一步证实了实际开挖方案的合理性。研究成果可以为同类工程的设计与施工提供理论参考。 关 键 词：大跨隧道；浅埋隧道；数值模拟；FLAC3D；开挖方案；稳定分析 中图分类号：TU 443 文献标识码：A

Comparative study on tunneling scheme of shallow overburden and large-span

highway tunnel in cracked rock mass

TANG Jin-song1, 2, LIU Song-yu1, TONG Li-yuan1, YU Jun1

(1. College of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China)

Abstract: Expressway tunnel of three driveways is often large-span tunnel with oblate cross-section because excavation span is large and ratio of height to span is small. This structure shape could make a bad influence on stability of surrounding rock and stress distribution of support system, so it is necessary to determine a reasonable tunneling scheme by academic analysis. The east Mao Mountain tunnel on the Ning-Chang Expressway in Jiangsu province is designed as a separate tunnel with uplink and downlink both having three driveways respectively. It is a typical shallow, large-span and oblate tunnel. The three dimensional numerical simulation using the FLAC3D software is conducted in this paper to model different excavation schemes, including CRD method proposed in pre-designing and partial bench cut method adopted in practice. The support parameters used in these two numerical models are both accordant with the data in design. The results show that partial bench cut method is feasible. A comparison between numerical results and observation data in practice is also conducted in the paper, which is more approved that the actual tunneling scheme is reasonable. The results of this study are expected to provide academic reference to design and construction for the similar engineering. Key words: large-span tunnel; shallow tunnel; numerical simulation; FLAC3D; tunneling scheme; stability analysis

1 引 言

对于三车道大跨公路隧道而言，在保证满足建筑界限的基础上，适当降低高跨比能大大减小隧道断面开挖面积，降低工程造价，从而节约建设投资。但与此同时，高跨比的减小对隧道围岩和支护结构的受力状况会产生不利影响，支护结构的内力有所增加；围岩变形，特别是拱顶位移增大，严重时可直接危及隧道围岩和支护结构的稳定与安全，因而

设计和施工中需兼顾围岩地质和施工、经济等多方面的因素综合考虑[1]。

三车道大跨公路隧道的施工，国内外大多视地质状况的好坏、开挖跨度和断面面积的大小分别采用全断面法、台阶法、分部开挖法、CD或CRD工法、双侧壁导坑法、三导坑（洞）法或其组合方法。软弱围岩地段须借助辅助施工措施，经过适当的地层预加固后再进行开挖，并尽可能地将洞室化大为小、分部开挖，从而沿开挖轮廓形成封闭或半封闭

收稿日期：2007-05-23

基金项目：江苏省交通科研计划项目（No.04Y046）资助。

作者简介：汤劲松，男，1970年生，博士研究生，副教授，主要从事隧道与地下工程的教学与研究工作。E-mail: tangjssjz@163.com

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的承载结构[1]。三车道大跨公路隧道的施工方案需要在工程类比的基础上，经过充分的方案比选，选择合适的开挖方法，确保围岩和支护结构稳定。

分离式隧道开挖方案的数值模拟，大部分文献是二维分析，三维模拟很少，而且绝大多数的文献都是针对单一洞室进行的[2

，3]

；有些文献对于分离

式隧道根据对称性原理，选取模型的一半即单洞隧道进行分析[4]。二维分析没有考虑到隧道开挖过程的空间效应，不能反映开挖进程的变化情况；单洞模型没有考虑到分离式隧道开挖过程的相互影响，对问题的分析也是不全面的。因此，采用双洞模型的三维分析才是合理的研究方法。

宁波—常州高速公路茅山东隧道采用上下行分离式双向6车道隧道方案，上行线长为245 m，下行线长为268 m。隧道衬砌断面采用三心圆、仰拱圆弧连接的形式。衬砌内轮廓净宽为15.65 m，净高为10.48 m；最大开挖跨度为17.33 m，最大开挖高度为11.98 m，形状扁平，且埋深较浅，80 %以上的隧道埋深在50 m以下，最浅处不超过2 m，为典型的浅埋大跨扁平隧道。东隧道上行线Ⅳ级围岩占67.3 %，下行线Ⅳ级围岩占88.8 %，围岩破碎，稳定性差。对于破碎的Ⅳ级围岩，预设计基于工程类比，建议采用CRD法施工；而在隧道施工中临时支护的中隔墙由于爆破施工不易保护，影响到支护结构的整体稳定，施工单位根据实际揭露的围岩情况，结合自身的施工经验，经与设计、监理单位协商，拟采用下断面左右分部台阶法施工。这种施工方法相比于CRD法是否可行，需要理论和工程实践的检验。

本文对Ⅳ级围岩条件下的浅埋大跨公路隧道施工过程进行三维数值模拟，通过对模拟结果的分析，评价开挖方案的合理性，并对开挖方案的施工过程进行稳定分析，为设计和施工提供理论依据，为类似工程提供借鉴。

2 茅山东隧道结构设计

茅山东隧道暗挖段按新奥法原理设计，采用复合式衬砌结构。初期支护采用锚杆、钢拱架、钢筋网和喷射混凝土联合支护：中空注浆锚杆直径为 25 mm，长为3.5 m，1 m×1 m梅花形布置；钢拱架采用间距为1 m的I20a型工字钢；钢筋网的直径为8 mm，间距为20 cm×20 cm；喷射混凝土采用厚度为23 cm的C25聚丙烯纤维混凝土。二次衬砌采用厚度为45 cm的C30自防水钢筋混凝土。由于围岩破碎，稳定性差，在拱部120°范围内，采用直径为

42 mm、长4.5 m、环向间距为40 cm、外插角为10°的注浆小导管超前预支护作为辅助施工措施。

3 数值模拟方案

3.1 计算模型的建立

本文选取茅山东隧道Ⅳ级围岩某典型断面进行模拟分析。为保证计算结果的可靠性，同时考虑合理的计算工作量，三维计算模型的边界范围按如下要求选取：水平方向自隧道中心线至模型边界取 80 m；根据设计资料，两个隧道中心线之间的距离为52 m；垂直方向自隧道底部向下约57 m；考虑到隧道浅埋，模型向上取至地表，本模型的地表根据实际地形的几个特征点进行简化处理，地表距左隧道顶面约为18 m，距右隧道拱顶为23 m，为左低右高的不对称地形；模型沿隧道纵向取60 m。三维计算模型示意图如图1所示。

图1 三维计算模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of 3-dimensional

calculation model

计算采用的边界条件为：模型的侧面边界受水平位移约束；下部边界受到竖向位移约束；地表为自由边界，不受任何约束。 3.2 计算参数的确定

隧址区为Ⅳ级围岩，模拟计算时假设围岩为单一、均质的连续介质，其物理力学性质根据工程地质勘察资料并结合规范[5]来取值，如表1所示。初期支护采用C25喷射混凝土，其参数取值见表2。

注浆小导管超前预支护的加固效果，根据经 验[6

，7]

通过提高围岩的物理力学参数来模拟。锚杆

的作用效果根据《公路隧道设计规范》[5]建议，Ⅳ级围岩可将加固区的围岩凝聚力提高20 %来处理。钢拱架的作用也采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土[8]。计算没有考虑钢筋网的作用效果，作为结构的安全储备。

由于隧道埋深较浅，初始应力场根据岩体的自

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重应力场计算得到。岩体的本构关系采用理想弹塑性模型，并服从Mohr-Coulomb屈服准则；考虑到围岩破碎，初期支护采用理想弹性材料来模拟。

表1 围岩的物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of

surrounding rock

材料名称

弹性模量 /GPa

泊松比

重度 /kN⋅m−3

凝聚力/MPa

摩擦角/（°）

在研究断面处的围岩竖向位移分布见图3，围岩最小主应力分布见图4，初期支护结构壳单元的最小主应力分布见图5。

围岩 0.5 0.35 23 0.1 38

表2 支护结构的物理力学参数

Table 2 Physico-mechanical parameters of support system

材料名称

标号

弹性模量 厚度/GPa

泊松比

重度 /kN⋅m−3

/cm

喷射混凝土 C25 23

0.25 22 23

3.3 施工步骤的模拟

茅山东隧道的模拟施工步骤，分别为设计阶段推荐采用的CRD法和施工单位实际采用的下断面左右分部台阶法。图2所示为这两种开挖方法的施工工序示意图，图中的数字表示依次开挖的断面顺序编号。

图2 开挖方案示意图

Fig.2 Schematic diagram of tunneling schemes

由于工期的限制，分离式隧道大多是同向依次掘进施工。本次模拟每步掘进2 m；左右隧道各分部断面之间间隔为10 m；左侧隧道先行施工，两侧隧道开挖掘进断面间的最小间距为20 m。

由于问题的复杂性，本文在模拟CRD法时没有涉及临时支护的拆除问题，复合式衬砌中的二次衬砌这里也不再进行模拟。

4 计算结果及施工方案稳定分析

考虑到边界条件的影响，以及隧道开挖时的空间效应，在隧道的纵向取中间断面为重点研究断面，对计算结果进行分析。隧道开挖支护完成以后研究断面的位移和应力计算结果见表3。两种开挖方案

表3 不同开挖方案的计算结果统计表 Table 3 The calculation results of different

tunneling schemes

开挖 最大拱顶下沉量

围岩最小主应力

初期支护最小主应力 /MPa 方法

/ mm /MPa 左隧道 右隧道

左隧道 右隧道 左隧道右隧道台阶法 9.717 14.22 −1.155 −1.425 −8.726

−9.357

CRD法 5.569

8.959

−1.041

−1.292

−16.131−21.252

说明：表中的应力负号表示压应力。

（a）分部台阶法施工

（b）CRD法施工

图3 围岩竖向位移分布云图

Fig.3 Vertical displacement nephogram

of surrounding rock

（a）分部台阶法施工

（b）CRD法施工

图4 围岩最小主应力分布云图 Fig.4 The minimal principal stress nephogram of surrounding rock

4.1 开挖方案分析

由表3和图3中的拱顶最大下沉量可知，CRD法施工的最大拱顶下沉量大约是分部台阶法的 57 %~63 %（左隧道为小值，右隧道为大值）。可见，CRD法可以有效地减小施工对围岩的扰动，临时支护能够很好地控制围岩位移。这一点对于城市地铁的施工安全非常重要。因为在城市地铁的施工

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（a）分部台阶法施工

（b）CRD法施工

图5 初期支护最小主应力分布云图

Fig.5 The minimal principal stress nephogram

of initial support

中，控制地表沉降在30 mm范围以内必须有效地控制围岩位移的释放，模拟结果表明，CRD法可以做到这一点。但是对于山岭隧道来说，只要围岩变形趋于稳定，并且不超过允许变形量都是可以接受的。表3所示最大拱顶下沉量为14.22 mm，没有超过隧道施工规范规定的允许值。

图4的围岩最小主应力分布显示，最小主应力均为压应力，其最大值主要分布在隧道两侧边墙一定深度范围内。可见，大跨隧道的边墙在开挖施工中承受了较大的应力集中，施工中应该加强边墙处围岩的保护和加固，确保施工安全。在围岩最小主应力的大小上，台阶法施工的围岩最大压应力比CRD法大10 %左右。说明CRD法由于一次开挖断

面面积较小，初期支护及时封闭，对围岩的扰动较小，引起隧道两侧边墙的应力集中程度较小。从数量上看，台阶法施工的最大压应力为1.425 MPa，是围岩可以承受的压应力范围。

图5显示初期支护最小主应力基本为压应力。分部台阶法的初期支护除了在拱脚和墙脚处压应力最大，达到9.357 MPa，其他部位不超过7.0 Mpa，并且主要分布在边墙以及边墙附近部位，仰拱部位压应力最小，其值均未超过C25喷射混凝土的弯曲抗压强度设计值13.5 MPa[5]。

CRD法的初期支护最小主应力显示，临时支护特别是竖向临时支护承担了较大的压应力，最大达到21.252 MPa，出现在竖向临时支护的中间部位。这样大的压应力对于临时支护来说是一个严峻的考验。而隧道周边的喷射混凝土承担的压应力不大，一般不超过7.5 MPa，且主要分布在边墙部位，拱部和仰拱部位均较小。初期支护的最小主应力分布表明，CRD法施工可以有效控制围岩位移，是以初期支护承受较大的形变压力为代价的。因此，加强初期支护特别是CRD中

的竖向临时支护，才是保证施工安全稳定的主要 任务。

以上分析表明，分部台阶法施工主要考虑围岩

自身的稳定，虽然围岩的位移较大，围岩的变形使得应力得到有效释放，对于支护结构来说，受力有所减小，可以减少支护，节约投资。分析表明，台阶法可以充分发挥围岩的自承能力，从这一点来看，是符合新奥法的思想的。CRD法由于支护紧跟，并且每一步支护都是封闭成环，使得围岩的应力得不到有效释放，虽然围岩位移较小，但是初期支护承担了较大的形变压力，加强初期支护必须增加投资，因此从经济性上来说是并不合理的。

考虑到施工的方便性、经济上的合理性，对于Ⅳ级围岩条件下的大跨公路隧道，分部台阶法是较合适的施工方法，可以充分发挥围岩的自承能力，而且便于与Ⅲ级围岩施工方法的衔接和转换。 4.2 实际开挖方案的稳定分析

根据以上分析，分部台阶法的开挖方案是茅山东隧道合理的施工方案。图6~8分别是分部台阶法施工的围岩位移矢量、最大主应力和塑性区分布图。

图6 围岩位移矢量示意图

Fig.6 The displacement vector diagram of

surrounding rock

图7 围岩最大主应力分布云图

Fig.7 The maximal principal stress nephogram

of surrounding rock

图8 围岩塑性区分布图

Fig.8 The plasticity region sketch of surrounding rock

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由图6可知，浅埋大跨隧道分部台阶法施工的围岩位移主要发生在隧道开挖部分的上下区域，且以竖向位移为主，水平位移较小；其中隧道的边墙部位位移很小。

由图7可见，围岩最大主应力基本是压应力，仅在左右两隧道之间的地表处出现拉应力，但是拉应力不大，最大为0.035 MPa。

结合图4（a）和图7可知，围岩主要受压应力作用，仅在地表出现不大的拉应力。

图8显示，围岩的塑性破坏主要是剪切破坏，没有出现张拉破坏。在隧道的边墙以及拱脚和墙脚处出现塑性破坏。右隧道的拱部区域也发生了塑性破坏，右隧道的两侧墙脚部位均出现了较大范围较大深度的塑性区，这与隧道的埋深相关。因此，施工中应注意边墙部位围岩的加固和保护，特别在拱部和边墙部位初期支护施工时，有必要打设锁脚锚管，一方面把上部结构的荷载传递到围岩内部，增加地基的承载力；另一方面锁脚锚管可以起到加固围岩的作用，从而确保施工安全。

由以上分析可知，围岩基本处于稳定状态，进一步说明分部台阶法是合理的施工方案。

5 开挖方案的施工验证

茅山东隧道自2005年4月27日开始施工，到同年10月30日整个隧道完全贯通，施工全过程是顺利的。从监控量测的结果来看，初期支护结构没有发现裂缝；测得最大拱顶下沉大约5 mm左右。拱顶下沉数值小于理论分析值的原因，主要是由于监测断面开挖以前和开挖时的位移变化没有测到，得到的只是开挖支护并埋设测点以后测得的围岩位移。结果表明，围岩是稳定的，施工是安全的。理论分析与现场实测的结果基本一致。

6 结 语

通过对分离式大跨扁平公路隧道开挖方案的三维数值模拟，理论分析和监控量测结果表明：对于Ⅳ级围岩条件下的浅埋大跨公路隧道来说，分部台阶法是合理的施工方法。围岩位移主要发生在开挖断面的上下部分区域，并且以竖向位移为主，水平位移较小，特别是隧道边墙处位移很小。围岩主应力主要是压应力，隧道的两侧边墙处发生应力集中，压应力较大，施工中应加强保护和支护。施工中应注意通过打设锁脚锚管，把支护结构荷载传递到围岩内部，同时起到加固围岩的作用。初期支护的最小主应力主要发生在拱脚、墙脚和边墙部位，

最大主应力主要出现在拱部和仰拱部分，均未超过材料允许值，初期支护是合理的。

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