浅埋软岩大跨度隧道开挖工法研究

JournalofShenyangJianzhuUniversity（NaturalScience）Jan．2018Vol．34，No．1

文章编号：2095－1922（2018）01－0066－08doi：10．11717/j．issn：2095－1922．2018．01．07

浅埋软岩大跨度隧道开挖工法研究

1，21，21，2

朱苦竹，张书强，庄瑞鸿

（1．桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004；2．广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004）

摘要目的研究浅埋软弱围岩大跨度隧道的开挖工法，为该类隧道工程的设计和

3D

施工提供理论参考．方法采用FLAC有限差分软件，针对广州某大跨度隧道进口段CＲD法和三台阶七步法下的开挖进行数值模拟，分别对三种工法在双侧壁导坑法、

下的隧道拱顶下沉值、围岩水平位移值、塑性区以及最大和最小主应力进行对比分析．结果在控制隧道拱顶下沉和拱脚水平位移及围岩应力集中现象方面，双侧壁导双侧壁导坑法与CＲD坑法均优于CＲD法和三台阶七步法；在控制围岩塑性区方面，

法相差不大，但均优于三台阶七步法；三台阶七步法开挖相比双侧壁导坑法和CＲD法更容易发生围岩失稳现象．结论大跨度隧道浅埋软岩段的开挖不建议采用CＲD法和三台阶七步法，而应优先考虑双侧壁导坑法．关键词浅埋软岩；大跨度；隧道开挖；工法；数值计算

+

中图分类号TU941；U455．4

文献标志码A

ＲesearchontheExcavationMethodofLargeSpanTunnelinShallowBuriedandSoftＲock

222

ZHUKuzhu1，，ZHANGShuqiang1，，ZHUANGＲuihong1，

（1．CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，GuilinUniversityofTechnology，Guilin，China，541004；2．Guan-gxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering，Guilin，China，541004）

Abstract：Theexcavationmethodoflargespantunnelinshallowburiedandsoftrockwasstudiedinordertoprovidetheoreticalreferenceforthedesignandconstructionofthetunnelengineering．TheFLAC3Dfinitedifferencesoftwareisusedtonumericalsimulatetheinletofalargespantunnel

crossdiaphragmmethod（CＲD）andthree-benchinGuangzhoubythedoublesidedriftmethod，

theseven-stepexcavationmethod．Comparativeandanalysisthesubsidencevalueoftunnelvault，

horizontaldisplacementofsurroundingrock，plasticzoneandthemaximumandminimumprincipalstressunderthesethreekindsofmethod．TheresultsshowthatdoublesidedriftmethodissuperiortotheCＲDmethodandthethree-benchseven-stepexcavationmethodincontrollingthesinkingof

tunnelvault，horizontaldisplacementofthearchfootandthestressconcentrationofthesurround-收稿日期：2017－06－26

基金项目：国家自然科学基金项目（41102202）作者简介：朱苦竹（1976—），男，副教授，博士，主要从事隧道及地下工程方面研究．

第1期朱苦竹等：浅埋软岩大跨度隧道开挖工法研究67

ingrock．DoublesidedriftmethodissimilartotheCＲDmethod，botharesuperiortothethree-benchseven-stepexcavationmethodincontrollingtheplasticzoneofthesurroundingrock．Thethree-benchseven-stepexcavationmethodismorepronetohappeninstabilityphenomenonofthe

surroundingrockthanthedoublesidedriftmethodandCＲDmethod．ItisadvisabletogiveprioritytousethedoublesidedriftmethodratherthanusetheCＲDmethodandthethree-benchseven-step

excavationmethodoflargespantunnelinshallowburiedandsoftrock．

Keywords：shallowburiedandsoftrock；largespan；tunnelexcavation；method；numericalcalcula-tion

社会发展伴随的交通拥堵，迫使现今公路隧道不得不拓宽车道，原有的单洞二车道与三车道已远远不能满足人们的需要，单洞四车道隧道已经应运而生，

逐渐成为大运输量公路的必选．目前我国山岭隧道的开挖方法

［1］

主要有：全断面法

［2－4］

、台阶法、弧形导

坑预留核心土法［5－6］

、中隔壁法、双侧壁导坑

法、三台阶七步法等．

近些年来，各学者对隧道工法的研究可谓是不计其数．然而，针对大跨度隧道的工法研究还是不够健全．对于单洞二车道，李浩等

［7］

利用有限元法对隧道在双侧壁导坑法

下的开挖进行了优化分析．对于单洞三车道，段慧玲等［8］

利用有限元法模拟分析得出了

不同围岩等级下隧道的合理开挖方法；龚建

伍等

［9］

通过有限元法对隧道在双侧壁导坑

法、中隔壁法和上下台阶法开挖下的拱顶下沉、地表沉降、中间岩柱应力和围岩稳定性等进行了模拟对比分析．而对于单洞四车道，许崇帮等［10］

利用有限元法对隧道在双侧壁导

坑法和CＲD法下的开挖进行了模拟分析．蒋

坤等

［11］

利用离散元模型对隧道在双侧壁导

坑法、

CＲD法和CD法开挖下的拱顶下沉、中间岩柱水平位移、围岩水平位移和围岩塑性区进行了数值分析．

综合看来，单洞四车道隧道工法虽有学者研究，但是工法也只局限在双侧壁导坑法、CD法和CＲD法，对于台阶法及其变异法却很少涉及．考虑到三台阶七步法［12－13］

，相比

双侧壁导坑法

［14］

和CＲD法［15－16］

，成本低，

无需临时支护，也不用担心因受力转换造成

施工不安全等优势特点．笔者依托广州某大跨度隧道为工程背景，该隧道是一典型单洞四车道公路隧道，隧洞桩号为K5+765～K6+775，全长1010m；开挖洞宽为19～20.8m，洞高为11～14m，最大开挖断面面

积达218m2

，属超大断面大跨度隧道．采用

FLAC3D有限差分软件［17］，对隧道进口段在双侧壁导坑法、

CＲD法和三台阶七步法三种工法下的拱顶下沉值、围岩水平位移值、塑性区以及最大和最小主应力进行对比分析，以期完善单洞四车道隧道工法的研究，得出更佳的开挖方法，为该类隧道的设计和现场施工提供参考．

1

隧道开挖数值模拟

1．1

模型的建立

计算模型（见图1）选取进口段K5+810

断面数据作为设计依据，模型的左右和下边

图1隧道计算模型Fig.1

Tunnelcalculationmodel

68沈阳建筑大学学报（自然科学版）

［18－19］

第34卷

界均取至隧道跨度和宽度的3倍洞径，围岩材料选用弹塑性本构模型，采用Mohr－Coulomb屈服准则．初始地应力场采用更改强度的弹塑性求解法

［20］

上边界取至地表，纵向取30m．模型的左右两侧边界设置为水平约束，下边界为竖向约束，上边界为自由面．隧道拱顶距地表10m，为浅埋隧道．

表1

Table1

围岩和支护结构残坡积土（Ⅵ级）全～强风化花岗岩（Ⅴ级）弱～微风化花岗岩（Ⅳ级）

初衬二衬临时支护超前支护

，由围岩自重

形成．支护材料选用弹性模型．其围岩和支护结构的物理力学参数取值详见表1．

围岩和支护结构物理力学参数

Physicalandmechanicalparametersofsurroundingrockandsupportingstructure

密度ρ/

（kg·m－3）1700190023002300250078502300

弹性模量

E/GPa0.140.251.3031322003.60

泊松比μ0.380.350.300.200.200.310.30

黏聚力c/kPa2050300————

摩擦角Φ/（°）202530————

1．2开挖工法步序模拟方案

CＲD法以及三笔者采用双侧壁导坑法、

CＲD法：①开挖左导坑上部，再施工其初衬和临时支护；②开挖左导坑下部，再施工其初衬和临时支护；③开挖右导坑上部，再施工其初衬和临时支护；④开挖右导坑下部，再再施工全环二施工其初衬；⑤拆除临时支护，衬（见图3）．

3种开台阶七步法进行模拟开挖比较分析，挖方案的工序分别如下：

双侧壁导坑法：①开挖左导洞上台阶，再施工其初衬和临时支护；②开挖左导洞下台再施工其初衬和临时支护；③开挖右导洞阶，

上台阶，再施工其初衬和临时支护；④开挖右导洞下台阶，再施工其初衬和临时支护；⑤开挖核心土上部，再施工其初衬；⑥开挖核心土中部，再施工其临时支护；⑦开挖核心土下部，再施工其初衬；⑧拆除临时支护，再施工全环二衬（见图2）．

图3Fig.3

CＲD法CＲDmethod

三台阶七步法：①先施工超前支护，然后再施工初衬；②开挖中导洞开挖上弧型导航，

左上边墙，再施工其初衬；③开挖中导洞右上边墙，再施工其初衬；④开挖中导洞左下边墙，再施工其初衬；⑤开挖中导洞右下边墙，

图2Fig.2

双侧壁导坑法

再施工其初衬；⑥依次开挖中导洞核心土上、中、下台阶；⑦开挖仰拱，再施工其初衬，最后

Doublesidedriftmethod

第1期朱苦竹等：浅埋软岩大跨度隧道开挖工法研究69

施工全环二衬（见图4）．

图4

三台阶七步法

Fig.4

Three-benchseven-stepexcavationmethod

1．3监测点布置

3种工法下的隧道开挖模型均参考实际

隧道施工监测断面布置图（见图5），在拱顶设置了P1、

P3和P5监测点．图5

施工监测断面布置图

Fig.5

Layoutofconstructionmonitoringsection

2

结果对比分析

2．1

拱顶下沉

根据监测结果可知各工法最终产生的拱

顶下沉值分别有：双侧壁导坑法为14.97mm（P1）、29.63mm（P3）、14.31mm（P5），CＲD法为15.06mm（P1）、30.84mm（P3）、21.79mm（P5），而三台阶七步法的下沉值为37.95mm（P1）、46.52mm（P3）、35.73mm（P5）各工法下拱顶监测点P1、P3和P5随时步的下沉曲线如图6所示．

图6各工法下的拱顶下沉曲线

Fig.6

Vaultsubsidencecurvesbyeachmethod

综合对比图6（a）、

（b）和（c）可知：拱顶P1、P3和P5监测点的下沉值在双侧壁导坑法开挖下是最小的，三台阶七步法下是最大的，

CＲD法下则位居中间；以监测点P3为例，

将双侧壁导坑法下的拱顶下沉值作为基准，

CＲD法和三台阶七步法开挖引起的拱顶下沉值比双侧壁导坑法分别增大了4.1%和57%；在最初的25000循环步内，CＲD法和

70沈阳建筑大学学报（自然科学版）第34卷

三台阶七步法开挖造成的拱顶下沉值分别占其最终沉降的49.4%和44.4%，而双侧壁导坑法却微小的多，只有11.3%．

图7为实测隧道在双侧壁导坑法开挖下拱顶监测点P1和P5随时间的下沉变化曲线．由实测数据知最终拱顶下沉值为14.7mm（P1），18.25mm（P5），P3数据缺失．

图7实测隧道拱顶下沉曲线

Fig.7

Themeasuredtunnelvaultsubsidencecurve

将这3种工法下的模拟监测值与实测值进行对比可知：双侧壁导坑法P1处的模拟监测值略大于实测值，

P5处模拟监测值小于实测值；CＲD法的P1和P5处的模拟监测值均大于实测值；而三台阶七步法的P1和P5模拟值均大于实测值．

由此能断定，在控制拱顶下沉方面，双侧壁导坑法优于CＲD法和三台阶七步法．2．2

围岩水平位移

图8是3种工法下的最终隧道围岩水平位移图．对比图8（a）、（b）和（c），不难发现，三者洞周水平位移的由小到大基本排序为双侧壁导坑法，CＲD法，三台阶七步法．查看模拟结果可知：3种工法下拱脚处水平位移有：双侧壁导坑法为－1.378mm（左侧）、1.437mm（右侧），CＲD法为－1.808mm（左侧）、1.214mm（右侧），三台阶七步法为

－5.036mm（左侧）、4.675mm（右侧）；对比可知拱脚处水平位移在双侧壁导坑法开挖下最小，在三台阶七步法下最大．由实测数据知拱脚处水平位移为－5.27mm（左侧）、3.87mm（右侧），与三台阶七步法下的最为接近．

综上分析，单就模拟结果而言，在控制洞周水平位移方面，双侧壁导坑法也相对优于CＲD法和三台阶七步法．

图8

各工法下围岩水平位移

Fig.8

Horizontaldisplacementofsurroundingrockbasedoneachmethod/m

2．3

围岩塑性区

隧道在开挖的过程中，必然会引起围岩

应力的重分布，其中部分围岩因发生应力集中现象，导致围岩应力超过其屈服强度，从而产生不可恢复的屈服区域，

形成围岩塑性区．图9为3种工法开挖模拟下的围岩塑性区．图中n表示现在，

p表示曾经．据图9可知：在洞室开挖完成后，双侧壁导坑法和CＲD法下的塑性区分布规律大体

第1期朱苦竹等：浅埋软岩大跨度隧道开挖工法研究71

一致，塑性区范围也相差不大，其主要都是集中在地表、洞身顶部、腰部和底部；三台阶七步法除了因核心土上部施加了超前支护，致使洞身顶部几乎未出现塑性区外，而地表、洞身腰部和底部相比前两种工法下的塑性区范围均大，尤其是两侧拱脚处，三台阶七步法下的塑性区则更大．

因大跨度隧道浅埋软岩段开挖断面大，且各开挖部分之间干扰明显，三台阶七步法没有像双侧壁导坑法和CＲD法一样，在开挖过程采用中隔墙等临时支护，故围岩稳定性必然是要差一些，也更容易屈服，模拟结果也证实了这一点．

图9

围岩塑性区分布图

Fig.9

Distributionmapofsurroundingrockplas-ticzone

由此表明：三台阶七步法无需拆除临时支护，也无需担心因受力转换造成施工不安

全的优势特点在大跨度隧道浅埋软岩段是难以体现的；单从洞室开挖后的塑性区范围来判别开挖工法的优劣，则可得出双侧壁导坑法和CＲD法要明显优于三台阶七步法．2．4

围岩应力

图10为3种工法开挖完成后的最大主应力．通过模拟结果得知：以隧道左拱脚处的最大主应力为例，双侧壁导坑法为0.401MPa，CＲD法为0.475MPa，三台阶七步法为0.525MPa．

图10

各工法下的最大主应力

Fig.10

Themaximumprincipalstressbasedoneachmethod

图11为3种工法开挖完成后的最小主

应力．由模拟结果可知：同样以隧道左拱脚处的最小主应力为例，双侧壁导坑法的最小主应力为－12MPa；CＲD法的最小主应力为－15.8MPa；三台阶七步法的最小主应力为－19MPa．

72沈阳建筑大学学报（自然科学版）第34卷

图11

各工法下的最小主应力

Fig.11

Themaximumprincipalstressbasedoneachmethod

由此可得出：不论是最大主应力还是最小主应力，

三台阶七步法下的左拱脚处应力值都是最大的；且应力集中分布范围也均为三台阶七步法比CＲD法明显，

CＲD法比双侧壁导坑法明显．这说明，

在大跨度隧道浅埋软弱围岩段施工时，采用三台阶七步法相比其他两种工法更容易发生围岩失稳现象．

3结论

（1）在控制大跨度隧道浅埋软岩段的拱顶下沉和洞周水平位移方面，双侧壁导坑法要优于CＲD法和三台阶七步法；在控制围岩塑性区范围方面，双侧壁导坑法和CＲD法没有显著差别，

但是均明显优于三台阶七步法．（2）对于大跨度隧道浅埋软岩段，采用三台阶七步法施工相比双侧壁导坑法和CＲD法更容易发生围岩失稳现象．

（3）基于三台阶七步法、双侧壁导坑法和CＲD法的特点，并结合笔者的分析以及实际隧道工程在双侧壁导坑法下开挖的数据资料，得出CＲD法和三台阶七步法并不适用于大跨度隧道浅埋软岩段．而对于类似浅埋软岩隧道段，建议优先采用双侧壁导坑法，能取得较好结果．参考文献

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