城仔山隧道机械化双侧壁导坑法数值模拟研究

王正一

（中铁十一局集团第四工程有限公司，武汉 430061）

1 引言

随着社会经济的不断发展与城市化进程的不断加快，为满足人民日益增长的使用功能需求，越来越多的大跨度、大断面隧道开始修建[1-2]。但是，由于跨度与断面的不断增大，隧道的修建难度也在逐渐增加，如何保障隧道掘进过程中的安全，已成为制约高速公路改扩建工程的一大技术难题。合理开挖工法的选择，是有效控制围岩和地表沉降的关键所在[3]。目前，常见的开挖工法有侧壁导坑法[4]、台阶法（Benching Tunnelling Method）、连续开挖与支护结构法（Continuous Diaphragm Wall Method，CD）[5]、全断面隧道掘进法（Full Cross-section Excavation Method，CRD）[6]、隧道全断面掘进机法（Tunnel Boring Machine，TBM）等。其中，侧壁导坑法是修建松软地层隧道的基本方法之一，当需要在不稳定地层修筑大跨度隧道时，为确保施工安全，可采用该方法。一些专家学者对侧壁导坑工法进行了研究。

杨忠等[7]结合咸旬高速公路雷家坡1#隧道施工，分析总结了单侧壁导坑施工方法，该研究对于中国同类工程地质条件下的隧道施工具有借鉴意义。徐丙义[8]以某连拱隧道为实例，通过优化设计单侧壁导坑开挖断面，详细阐述了扩大单侧壁导坑的三导洞开挖施工方法及措施，从而改善了有限空间的作业环境，达到安全快速施工的目的，经济效益显著。黄远亮[9]通过实际案例探讨单侧壁导坑法在低山丘陵地貌岩土隧道施工中的应用，并结合开挖施工和初期支护施工中的常见施工质量通病，提出了相关施工控制方法。葛晨雨[10]利用ABAQUS 软件构建多组不同支护条件下的浅埋小净距隧道洞口段的数值模型，分析在单侧壁导坑施工方法下采用不同的支护方式对隧道的应力、应变及塑性变形区域的影响，进一步研究围岩、锚杆和初衬的作用效果，改进了相似隧道施工的支护方式。

上述研究为侧壁导坑法的设计与施工提供了一些技术支持。本文在现有侧壁导坑法研究的基础上，以城仔山隧道工程为背景，利用数值模拟软件建立了城仔山隧道单洞4 车道分离式三维隧道模型，模拟了隧道双侧壁导坑法工况下的分部开挖、超前支护施作、洞身支护施作等施工过程，研究了侧壁导坑法下的隧道安全性。

2 工程背景

城仔山隧道穿过丘陵地貌区，为洞口小净距双洞8 车道分离式隧道，左线隧道起讫里程ZK52+289～ZK54+616，长2 327 m，汕尾陆丰端洞门采用削竹式，洞口设计标高71.395 m，深圳龙岗端洞门采用削竹式，洞口设计标高62.515 m，坡度0.800%～1.00%，隧道最大埋深约284 m；右线隧道起讫里程K52+322～K54+693，长2 371 m，汕尾陆丰端洞门采用削竹式，洞口设计标高71.125 m，深圳龙岗端洞门采用削竹式，洞口设计标高63.153 m，坡度0.800%～1.00%，隧道最大埋深约260 m。工程概况如图1 所示。

图1 工程概况

3 数值模拟及结果分析

3.1 模型建立

隧道左右导坑上台阶高7.5 m，中台阶高2.3 m，下台阶高2.3 m（带仰拱侧3.9 m），中导坑上台阶高6.2 m。侧导洞上台阶长15 m，中、下台阶长16 m，中部长8 m。先行与后行侧导洞上台阶掌子面错开12 m，中导洞上台阶长8 m，中部25 m 斜坡道。依据上述工况，建立相应的数值模型，具体如图2 所示。

图2 双侧壁导坑法三维数值模型

3.2 模拟方案

双侧壁导坑法三维数值模拟的具体施工步骤为：（1）左导洞、右导洞、中导洞分部开挖，单循环开挖进尺设定为2 m；（2）各台阶同时开挖完成后，进行上台阶初期支护、中台阶初期支护及下台阶初期支护模拟；（3）每掘进3 个循环即6 m 进行一次10 m 超前导管施工，前后搭接长度为4 m，每一循环都需要进行钢架、洞身锚杆、锁脚锚杆、喷射混凝土和中隔壁的施作。

3.3 结果分析

选择数值模型中纵向20 m 断面，提取支护结构位移、应力数据，并分析机械化双侧壁导坑法支护结构施工力学特征。所有结果见表1。

表1 双向侧壁导坑法数值模拟计算结果

依据得到的洞周位移随工序变化规律统计结果可知，拱顶随工序的进行持续下沉，最大位移0.462 m，在拆除中隔壁及开挖弃渣施作仰拱二衬工序中，拱顶下沉速度加快。在右导洞上台阶、左导洞上台阶、右导洞中台阶开挖后，上台阶水平收敛值急剧增大，之后随工序变化较小，在中导洞下台阶、拆除中隔壁、开挖弃渣施作仰拱二衬中，水平收敛值急剧减小。

表1 所述的最大应力值表示的是数值模型纵向20 m 断面处的各结构最大拉压应力。模型中将锚杆分为拱顶锚杆与锁脚锚杆两类，基于两类锚杆的数值计算结果可知：在整个施工过程中拱顶锚杆轴力最大，边墙锚杆轴力次之，左拱腰锚杆最小且在左导坑上台阶开挖中轴力急剧减小；锁脚拉应力较锁脚压应力小。通过对锁脚拉压应力的进一步分析可知：对于最大拉应力，中台阶锁脚锚杆较上台阶锁脚锚杆略大，故中导坑锁脚对钢架对内收缩有较强的控制作用；对于最大压应力，上台阶锁脚锚杆较中台阶锁脚锚杆大，故上导坑锁脚对钢架对外收缩有较强的控制作用。通过对超前管棚最大拉压应力值随工序的变化规律分析可知：在开挖右导坑工序中，由于左导洞管棚在掌子面附近，管棚的最大拉应力较大，当右导洞掌子面继续向前推进，掌子面逐渐远离管棚导致管棚拉力减小。当施工进行到工序四和工序八时，分别开挖到左导洞和中导洞，导致管棚应力有所增大，随着施工的不断进行，管棚拉应力又逐渐减小。当施工工序一到工序六时，由于监测面的管棚逐渐形成完整受力体系，故最大压应力逐渐减小。当开挖仰拱时，拱顶沉降增大，管棚压力变大。作为隧道支护的重要环节之一，喷射混凝土对隧道的应力变化有重要影响，在整个施工工程中，喷射混凝土最大拉应力均位于拱顶，在左导坑台阶开挖中，最大拉应力快速下降，并在后续工序进行时持续增加；另一方面，喷射混凝土最大压应力均位于上台阶拱脚，随工序进行持续增大，弃渣回填和开挖弃渣时，喷射混凝土最大压应力有突变。

4 结论

本文利用FLAC 3D 数值模拟软件研究了城仔山隧道单洞4 车道分离式隧道双向侧壁导坑法下的巷道安全性，得到主要结论如下。

1）拱顶位移随着各步骤的进行逐渐增大，单个步骤的位移增长率不同；水平位移呈现出先增后降的趋势，进行支护工序后可减小水平方向的位移。

2）超前管棚、锁脚锚杆、喷射混凝土等的应力随着不同的施工工序的进行呈现出不同的变化趋势，而系统锚杆轴力整体来说较为平稳，大多保持在2 kN 左右。

3）对数值模拟所得结果进行综合对比分析发现，采用双向侧壁导坑法后隧道各部分位移均在安全数值范围内，隧道各工序中隧道掘进的各阶段安全风险较低。