公路交通科技
JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment
Vol.29No.9
Sep．2012
doi：10.3969/j.issn.1002－0268.2012.09.015
扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状
CAwMwEwO.c楷am模eoCA.oE案rg例.cn库 111，2
陈秋南，王勤荣，谢小鱼，李
松
1
（1．湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201；2．湖南路桥建设集团公司，湖南长沙410004）
摘要：超大断面软弱围岩小净距隧道跨度大、埋深浅、施工步骤多、中间岩柱受力复杂、围岩稳定性差。为了研究适合于浅埋软弱围岩超大断面小净距隧道施工的工法，采用有限差分软件FLAC－3D对其施工过程进行数值模拟，模拟研究8车道超小净距隧道Ⅴ级围岩条件下的双侧壁法、三台阶法和CRD法施工过程，揭示该隧道在施工过程中的围岩变形规律、中间岩柱和支护结构受力性状，优化施工方案。模拟研究结果表明，与三台阶法和CRD法相比，采用双侧壁法施工时隧道围岩塑性区和中间岩柱塑性区最小，锚杆轴力最小，围岩变形较小，该法适合于弱软围岩超大断面小净距隧道施工。双侧壁法施工时的围岩变形规律和支护结构受力性状的数值模拟结果与现场监测结果基本一致，从而进一步验证了数值模拟分析结果的可靠性。中图分类号：U459.2
文献标识码：A
关键词：隧道工程;超大断面小净距隧道;数值模拟;双侧壁法;力学性状
文章编号：1002－0268（2012）09－0089－06
MechanicalCharacteristicsofSupportingStructureforFlatSuper-largeSectionSmallSpacingTunnels
2
CHENQiunan1，WANGQinrong1，XIEXiaoyu1，，LISong1
（1．SchoolofCivilEngineering，HunanUniversityofScienceandTechnology，XiangtanHunan411201，China；
2．HunanRoad＆BridgeConstructionGroupCorporation，ChangshaHunan410004，China）
Abstract：Thecharacteristicsofsuper-largesectionsmallspacingtunnelsinsoftsurroundingrockareoflargespan，shallowburieddepth，multi-stepconstruction，complicatedforceinmiddlerockpillar，allthesewillleadtoinstabilityofsurroundingrockduringtunnelconstruction．Inordertoresearchaconstructionmethodsuitableforshallowburiedsuper-largesectionsmallspacingtunnelsinsoftsurroundingrock，thetunnelconstructionwassimulatedbyfinitedifferentialsoftwareFLAC-3Dandtheconstructionprocessesofeight-lanesuper-smallspacingtunnelsundersurroundingrockofclassificationⅤweresimulatedbyusingtwin-side
constructionmethod，three-benchmethodandCRDmethodrespectively．Thesettlementregularityofsurroundingrock，mechanicscharacteristicsofmiddlerockpillarandsupportingstructure，andconstructionoptimizationmethodwerepointedout．Thesimulationresultsshowthattwin-sideconstructionmethodismoresuitableforthesuper-largesectionsmallspacingtunnelundersoftsurroundingrock，theplasticzonesofsurroundingrockandmiddlerockpillararesmallest，andanchoraxialforceanddeformationofsurrounding
rockaresmallestcomparedwiththree-benchmethodandCRDmethod．Moreover，thedeformationregularityofsurroundingrockandmechanicscharacteristicsofsupportingstructureareclosetoin-situmonitoringresults，thus，thereliabilityofnumericalsimulationresultswasproved．
收稿日期：2011－11－11
基金项目：国家自然科学基金项目（41172275）；国家自然科学基金项目（50874043）作者简介：陈秋南（1968－），男，江西莲花人，博士后，教授.（cqndoc@163.com）
90公路交通科技第29卷
Keywords：tunnelengineering；super-largesectionsmallspacingtunnels；numericalsimulation；twin-sideconstructionmethod；mechanicalcharacteristic0
引言
综合考虑到施工场地限制、工程地质条件复杂以及附近环境保护等因素，在隧道进出口的Ⅴ级软弱围岩段分别设计采用双侧壁法、三台阶法，图1为2种工法施工顺序示意图。
近年来，8车道扁坦、超大断面小净距隧道在高等级公路中得到发展，这种隧道既满足了公路通行能力要求，又能克服施工场地窄的问题，但断面跨度大、形状扁坦，浅埋段软弱围岩的中间岩柱受力
复杂不稳定。
扁坦、大跨度隧道的施工方法有台阶法、弧形导坑预留核心土法和双侧壁导坑法等，这些工法仅
［1］
对围岩条件较好的隧道比较适宜。随着工程实践
经验的不断丰富，一系列适合浅埋软弱围岩大跨度隧道的工法被提出和采用，如三台阶CRD法、三台
［2－5］
阶七步开挖法以及上下导坑双侧壁法等工法。
目前，在3车道小净距隧道设计施工方面获得
了许多研究成果，中隔壁法和双侧壁法得到了应［6－8］
，而浅埋软弱围岩8车道扁坦、超大断面小用
净距隧道类似经验少，施工方法没有规范可依，其
［9－11］
。支护结构的力学性状和规律尚需深入研究
本文以东莞某高速公路双向8车道浅埋软弱围
岩扁坦、超大断面小净距隧道为工程背景，分别建
立上下导坑双侧壁法、三台阶法以及改进的CRD法隧道开挖模型，对比各工法的围岩和支护结构的应力、应变变化规律，优化8车道超大跨度小净距隧道施工方案，并与现场监测成果进行对比研究。1
工程概况
1.1
本工程位于东莞市虎门镇，隧道出口距太平隧道约400m，属于珠江三角洲边缘剥蚀低丘陵区，地形切割较强，相对高差约100m，植被发育。隧道自
dl+cl
地表往下分布依次有粉质粘土（Q4）、全风化混
合片麻岩（Pzl）、土状强风化混合片麻岩（Pzl）、碎块状强风化混合片麻岩（Pzl）、中风化混合片麻岩
（Pzl）等地层。隧道最大埋深68m，最小埋深35m，进出口Ⅴ级围岩分布占隧道总长度1/3，并且开挖跨度大，双洞间距小，开挖过程中极易造成围岩失稳。1.2设计方案
隧道设计为双洞分修小净距短隧道，单洞跨度
2
约21m，开挖高度约11m，断面面积达243.5m，是国内单向4车道横截面积最大的隧道之一，双洞净间距为15～18m。
CAwMwEwO.c楷am模eoCA.oE案rg例.cn库 图1
施工顺序示意图
Fig.1图2
Constructionsequences
2种工法分别在不同的围岩中采用，都采用左洞先行开挖，2洞掌子面间隔30m以上，且先开挖靠
近中间岩柱导坑，再开挖远离中间岩柱一侧的导坑，最后开挖核心岩。支护采用地表注浆、超前管棚、
钢拱架锚喷支护和仰拱等措施，双侧壁法施工必要时加水平临时支撑。图2为CRD法施工顺序图。
CRD法施工顺序示意图
工程地质
Fig.2ConstructionsequencebyCRDmethod
2隧道施工工法模拟计算施工模型建立
2.1
对于超大跨度浅埋小净隧道的施工工法，分别采用双侧壁法、三台阶法和CRD法进行模拟研究，对比不同工法下围岩和支护结构的应力、应变变化规律。
3D
根据图1和图2的施工顺序采用FLAC建立计算分析模型，模型水平向长度178m，竖向高度92m，隧道单洞跨度21m，埋深35m至地表，2隧
道间距18m，隧道纵向方向取20m。2.2围岩力学参数
围岩力学参数按表1中Ⅴ级围岩标准取值，超前支护按提高加固圈参数的方法进行模拟，其中加
第9期陈秋南，等：扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状
表1
围岩物理力学参数
91
固圈参数按表1中Ⅳ级围岩标准取值。喷射混凝土－钢拱架支护结构弹性模量为15000MPa，泊松比为0.3；临时支撑结构弹性模量为10000MPa，泊松比为0.25；锚杆布置间距为1m×1m，弹性模量为45000MPa，水泥浆加固外圏周长为2m，水泥浆耦合粘聚力为1MPa。3种模型网格见图3。
Tab.1Physicalandmechanicalparametersofsurroundingrock
围岩
重度γ/变形模量
泊松比μ0.320.40
内摩擦角内聚力Ckk/（°）3226
/MPa0.450.1
抗拉强度/MPa0.2020.045
级别（kN·m－3）Ed/GPaⅣⅤ
2220
41.5
3
模拟计算主要为不同工法下围岩主应力场分布、隧道拱顶和地表沉降、围岩塑性区发展情况以及支护结构受力规律。计算完成后，双侧壁法和CRD法的临时支撑不拆除，以便于对比横向支撑和竖向支撑的效果。
3.1主应力场分布
图5反映出隧道拱顶和地表绝大部分沉降发生在靠近拱顶开挖这一工序上，其中双侧壁法和三台阶法在这一工序上发生的沉降明显大于CRD法。从沉降最终值来看，三台阶法施工拱顶和地表沉降最终值最
CAwMwEwO.c楷am模eoCA.oE案rg例.cn库 图3
3种工法模型网格
Fig.3
Modelmeshesinthreeconstructionmethods
计算结果分析
法的主应力主要集中分布在仰拱、边墙脚和拱腰处，双侧壁法的应力集中比后2种工法严重，尤其是仰
拱部分拉应力集中现象更明显。3种工法中间岩柱墙脚处均出现不同程度压应力集中，三台阶法施工的
压应力集中程度最小。从主应力云图看，每个循环施工步越多，则围岩应力集中越严重。
隧道拱顶及地表沉降
图5是每一施工步的拱顶和地表沉降情况，其
3.2
图4为3种工法下围岩最大主应力云图。3种工中地表监测点位于2隧道对称轴上。
大，另2种工法相差不大，这也说明了竖向支撑和缩小开挖跨度对控制围岩沉降有比较明显的效果。3.3
围岩塑性区分布规律
图6是3种工法下围岩塑性区分布情况。
92公路交通科技第29卷
图6
Fig.6
各工法围岩塑性区分布
Plasticzonedistributionoftunnelinvariousconstructionmethod
也接近贯通。CRD法由于横向支撑作用，边墙并未出现贯通的塑性区，且塑性区主要集中在拱腰和边墙脚。双侧壁法相比CRD法，在拱腰处塑性区更小，说明双侧壁法临时支撑对塑性区的控制效果比CRD法临时支撑效果更好。3.4
锚杆轴力分析
图7所示情况与主应力分布云图一致，3种工法下拱顶锚杆受拉应力最大，边墙和中间岩柱受压部
位的锚杆处于受压状态，CRD工法中间岩柱锚杆轴力大于两边锚杆轴力，而另2种工法锚杆轴力沿隧道轴线对称分布。3种工法中，台阶法锚杆最大轴力大于另外2种工法锚杆最大轴力。
3.5
头处和侧壁支撑上（图8），三台阶法喷层弯曲应力主要集中在墙脚处，CRD法喷层弯曲应力主要集中
CAwMwEwO.c楷am模eoCA.oE案rg例.cn库 图8Fig.8
shotcrete-steelsupport
从图6可看出，三台阶法隧道周边围岩塑性区范围最大，中间岩柱塑性区几乎贯通，边墙塑性区
喷射混凝土－钢拱架弯曲应力分布云图Flexuralstressdistributionnephogrmof
在临时支撑接头处和侧壁支撑上，其中底层侧壁支撑的弯曲应力集中情况比顶层严重。
3种工法的优缺点
（1）双侧壁法围岩塑性区和中间岩柱塑性区最
3.6
小，锚杆轴力最小，控制围岩沉降效果好，但仰拱拉应力集中严重。
（2）三台阶法对围岩沉降和塑性区控制均不理想，并且锚杆轴力较大，初期支护结构应力集中严重，不适合软弱围岩超大断面小净距隧道施工。
（3）CRD法对拱顶沉降控制略优于双侧壁法，但对地表沉降和围岩塑性区的控制不及双侧壁法，并且锚杆轴力比双侧壁法大。
图7
Fig.7
锚杆轴力分布
Distributionofanchoraxialforces
综合以上结果，双侧壁法是最适合于Ⅴ级软弱围岩超大断面小净距隧道施工。4
监测结果分析
喷射混凝土－钢拱架应力分析
双侧壁法喷层弯曲应力主要集中在临时支撑接
下面对本工程中Ⅴ级围岩段双侧壁法施工监测数据进行分析，对比数值模拟结果，进一步验证数值模拟结果的可行性。
第9期陈秋南，等：扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状93
4.1
位移监测成果分析
图9为位移监测点布置图。
图12
Fig.12
图9
围岩位移测点布置
YK45+741地表沉降观测曲线
SurfacesettlementcurvesofsectionYK45+741
Fig.9
靠近洞口Ⅴ级围岩段右洞YK45+741断面收敛曲线见图10。
侧壁导坑的上导坑开挖和拱顶开挖这几个工序对收敛的影响最大，最大收敛位移为9mm，该断面监测20d后收敛位移趋于稳定。
YK45+741断面测点沉降情况见图11。
拱顶和拱腰沉降主要发生在侧壁上导坑开挖阶段和拱顶开挖阶段，拱顶开挖过程中由于局部岩体破碎和埋深浅的缘故，出现了日沉降量过大的情况，拱顶最大沉降量达到15mm，监测到25d后围岩趋于稳定。
ZK45+741地表沉降观测结果见图12。
地表沉降发展过程中并没有出现沉降量发展过快现象，靠近右洞轴线上测点1最终沉降量最大，达到7mm。远离洞室轴线测点沉降值依次减小，靠
CAwMwEwO.c楷am模eoCA.oE案rg例.cn库 Arrangementofmonitoringpointsofsurrounding
rockdisplacement
近中间岩柱的测点沉降略小于轴线另一侧测点的沉降。监测25d后地表沉降趋于稳定。
应力监测成果分析
YK45+717断面钢拱架应力时程曲线见图13。
4.2
图10YK45+741断面收敛曲线
图13YK45+717钢拱架应力变化曲线图
Fig.10ConvergencecurvesofsectionYK45+741
Fig.13StresscurvesofsteelsupportofsectionYK45+717
测点中除了左拱腰钢拱架受到较大拉应力外，其他部位测点应力均为负值，说明靠近中间岩柱的
左拱腰是受力最不利的部位，应该加强支护。
结论
5
（1）对于Ⅴ级围岩浅埋超大断面小净距隧道，双侧壁法围岩塑性区和中间岩柱塑性区最小，锚杆轴力最小，控制围岩沉降效果好，但仰拱拉应力集中严重，应该对该区域超前加固；
（2）三台阶法对围岩沉降和塑性区控制均不理想，围岩扰动次数频繁，支护结构应力集中；
（3）CRD法对拱顶沉降控制略优于双侧壁法，但对地表沉降和围岩塑性区的控制不及双侧壁法，并且锚杆轴力比双侧壁法大；
图11YK45+741断面测点沉降曲线
Fig.11SettlementcurvesofsectionYK45+741
（4）双侧壁法数值模拟结果和现场监测结果吻合较好，但隧道拱腰，尤其中间岩柱的拱腰处是受力最不利的部位，应该加强支护。
研究结果表明双侧壁法对超大断面浅埋软弱围岩的小净距隧道施工较适合，能确保其施工安全。
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