特大斷面雙線隧道CRD工法受力變形特性分析

摘" 要：隨著中國高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，特大斷面雙洞隧道的建設(shè)成為關(guān)注焦點(diǎn)。該文基于ABAQUS有限元軟件，對特大斷面雙洞隧道采用CRD工法的動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明，右洞隧道后行開挖對左洞圍巖產(chǎn)生二次擾動(dòng)和位移疊加，導(dǎo)致圍巖沉降量和影響范圍增大;同時(shí)，右洞開挖會(huì)影響左洞拱腰區(qū)域水平應(yīng)力和拱腰擴(kuò)張值，以及拱肩區(qū)域水平應(yīng)力和拱肩收斂值。在先行洞開挖過程中，后行洞開挖釋放地下應(yīng)力，影響先行洞的支撐結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果對特大斷面雙洞隧道的施工具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：特大斷面隧道;CRD工法;數(shù)值模擬;圍巖位移;支撐結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U451" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0063-05

Abstract： With the rapid development of highway construction in China， the construction of ultra-large-section double-hole tunnels has become the focus of attention. Based on ABAQUS finite element software， this paper carries out numerical simulation and analysis on the dynamic construction mechanical behavior of a super-large cross-section double-hole tunnel using CRD method. The research results show that the rearward excavation of the right tunnel will cause secondary disturbance and displacement superposition on the surrounding rock of the left tunnel， resulting in an increase in the settlement and influence range of the surrounding rock; at the same time， the excavation of the right tunnel will affect the horizontal stress and the waist expansion value in the waist area of the left tunnel， as well as the horizontal stress and the shoulder convergence value in the shoulder area. During the excavation of the leading tunnel， the excavation of the trailing tunnel releases underground stress， which affects the supporting structure of the leading tunnel. The research results have important guiding significance for the construction of super-large cross-section double-hole tunnels.

Keywords： extra-large-section tunnel; CRD method; numerical simulation; surrounding rock displacement; supporting structure

隨著我國高速公路的迅猛發(fā)展，以及隧道工程建設(shè)理念的提升和大型施工機(jī)械設(shè)備的研發(fā)和使用，隧道工程建設(shè)水平邁上了新的臺(tái)階。但近年來復(fù)雜地形和地質(zhì)等不利因素普遍存在于山區(qū)高速公路隧道的建設(shè)過程中。在洞口淺埋偏壓地段進(jìn)行暗挖施工時(shí)，為了保證施工安全、控制地表沉降、減少洞內(nèi)變形等，往往會(huì)采用交叉中隔壁法（CRD工法）進(jìn)行施工[1-2]。

宋洋等[3]依托敘畢鐵路某車站隧道，采用現(xiàn)場設(shè)計(jì)參數(shù)，建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探究CRD工法中臨時(shí)支撐拆除前后初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)以及形變規(guī)律，并分析位移與危險(xiǎn)截面應(yīng)力關(guān)系，提出臨時(shí)支撐拆除危險(xiǎn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);白宏達(dá)等[4]為了研究無中導(dǎo)連拱隧道先行洞與后行洞之間的最佳縱向間距，以某高速公路隧道無中導(dǎo)連拱隧道段為工程背景，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法對隧道開挖過程進(jìn)行了模擬，得到隧道開挖采用臺(tái)階法+CRD工法時(shí)，無中導(dǎo)連拱隧道先行洞與后行洞之間的最佳縱向間距;劉成虎[5]依托于貴陽地鐵3號(hào)線大營坡站—茶店站區(qū)間隧道工程，對巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境下隧道CRD工法的適應(yīng)性進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn);姚紅偉等[6]采用理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)手段對CRD工法關(guān)鍵工序進(jìn)行優(yōu)化;汪正斌[7]從施工工序方面評估CRD工法對周邊環(huán)境的影響;杜亞江等[8]從施工步序調(diào)整及研究斷面選擇方面分析CRD工法對隧道變形的差異;谷拴成等[9]分析了CRD工法各分部開挖時(shí)對拱頂沉降和水平收斂變化規(guī)律，并取得一定的研究結(jié)果。

近年來，特大斷面雙洞隧道施工工法，尤其是CRD工法，得到了廣泛關(guān)注和研究。這些研究推動(dòng)了特大斷面雙洞隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展。然而，目前關(guān)于特大斷面隧道CRD工法先行洞和后行洞相互干擾問題的研究還比較有限。本文通過數(shù)值模擬分析了特大斷面隧道CRD工法先后行洞施工的力學(xué)特性，研究了其開挖過程中圍巖及支撐結(jié)構(gòu)的受力變形特征。這些研究成果為類似特大斷面隧道的施工提供了重要的指導(dǎo)和借鑒。

1" CRD工法工藝介紹

1.1" 工藝原理介紹

CRD工藝是一種先進(jìn)的隧道工程施工技術(shù)，旨在控制巖石在施工過程中的變形和破壞，以確保隧道的安全和穩(wěn)定。該工藝結(jié)合了巖石力學(xué)、地質(zhì)工程和施工技術(shù)，通過科學(xué)的方法和合理的支護(hù)措施，有效地降低了隧道施工對周圍環(huán)境和地表的影響，提高了施工效率和工程質(zhì)量。

在CRD工藝中，支護(hù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、鋼拱架支護(hù)等，以控制巖石的變形和破壞。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測巖石的變形情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施，保證施工的安全和順利進(jìn)行。通過綜合利用已有信息，可以最大限度地降低隧道施工對周圍環(huán)境和地表的影響，保證隧道工程的安全、高效施工。

1.2" 施工工藝介紹

CRD工法施工工序如圖1所示，先行導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖1→先行導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)Ⅱ→后行導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖3→后行導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)Ⅳ→先行導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖5→先行導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)Ⅵ→后行導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖7→后行導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)Ⅷ→仰拱初期支護(hù)Ⅸ（臨時(shí)支撐拆除）→仰拱澆筑及填充Ⅹ→全斷面二次襯砌Ⅺ。

2" 先后行洞開挖過程數(shù)值模擬

2.1" 計(jì)算模型建立

根據(jù)實(shí)際隧道設(shè)計(jì)方案，建立隧道幾何整體模型尺寸為187 m×125 m×60 m，其中隧道掘進(jìn)深度取60 m，隧道凈寬為18.5 m，左右洞凈距為38.9 m，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

2.2" 模型參數(shù)及邊界條件

根據(jù)地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)資料，隧道區(qū)段所處地層主要為中風(fēng)化凝灰?guī)r，初期支護(hù)和二次襯砌分別采用鋼拱架和C30混凝土。模型中隧道圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌采用線彈性模型，錨桿的加固通過提高錨桿作用范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度參數(shù)的15%來實(shí)現(xiàn)。具體模型參數(shù)見表1。

2.3" 開挖步序

模擬中左洞作為先掘進(jìn)洞先行開挖，右洞在左洞二次襯砌施做完成后進(jìn)行開挖，左右洞斷面開挖步序一致，具體如下。

開挖左上導(dǎo)坑1，每次循環(huán)開挖進(jìn)尺為5 m，每個(gè)開挖循環(huán)后緊跟施做初期支護(hù)II。

距離左上導(dǎo)坑掌子面10 m，開挖右上導(dǎo)坑3，每個(gè)開挖循環(huán)后緊跟施做初期支護(hù)IV。

距離右上導(dǎo)坑掌子面50 m，開挖左下導(dǎo)坑5，每個(gè)開挖循環(huán)后緊跟施做初期支護(hù)VI。

距離左下導(dǎo)坑掌子面10 m，開挖右下導(dǎo)坑7，每個(gè)開挖循環(huán)后緊跟施做初期支護(hù)Ⅷ。

當(dāng)導(dǎo)坑開挖貫通后施做二次襯砌。

3" 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1" 圍巖變形分析

3.1.1" 左洞開挖位移分析

結(jié)合實(shí)際施工情況，左導(dǎo)洞（先行洞）分為“四步開挖法”：左上導(dǎo)洞—右上導(dǎo)洞—左下導(dǎo)洞—右下導(dǎo)洞，其中每步開挖后的圍巖豎向位移如圖3所示。

由圖3可知，左洞圍巖豎向位移總體為拱頂沉降-拱底隆起的現(xiàn)象，拱頂沉降隨著導(dǎo)洞開挖，總體呈現(xiàn)增長的趨勢，隨著左上導(dǎo)洞開挖，圍巖的瞬時(shí)豎向位移達(dá)至15.06 mm，隨著后續(xù)的開挖，圍巖累計(jì)豎向位移呈現(xiàn)緩慢上漲，最終最大沉降值為17.40 mm。其原因?yàn)椋核淼篱_挖會(huì)改變地下巖體的應(yīng)力狀態(tài)，左上導(dǎo)洞的開挖打破了原有的應(yīng)力體系，圍巖受到了局部瞬時(shí)的較大應(yīng)力變化，導(dǎo)致了瞬時(shí)豎向位移最大值的產(chǎn)生。后續(xù)隨著支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)，穩(wěn)定了圍巖的變形。

拱底因上方巖體減少和支護(hù)作用，產(chǎn)生向上隆起，且在左下導(dǎo)洞開挖完成達(dá)到最大值30.01 mm，并在右下導(dǎo)洞開挖完成后，釋放了一定的應(yīng)力，使得拱底巖體向上隆起的程度出現(xiàn)驟減，為19.29 mm。

3.1.2" 右洞開挖位移分析

圖4展示了右導(dǎo)洞（后行洞）開挖完成后的圍巖豎向位移云圖。從圖4中可以看出，右洞開挖后，圍巖豎向位移的分布發(fā)生了變化。在左右洞的拱頂處沉降較大，而在兩洞之間及兩側(cè)沉降較小。沿著左右洞的中心線，圍巖呈現(xiàn)出“駝峰”狀的分布。此時(shí)，左洞拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?8.53 mm，右洞為18.21 mm，均大于左洞先行開挖時(shí)的拱頂最大沉降值。同時(shí)，拱底的最大隆起值和地表沉降范圍也有所增大。這主要是由于右洞開挖對先行開挖隧道圍巖造成的二次擾動(dòng)以及位移的疊加。

3.1.3" 右洞開挖對左洞圍巖位移變化影響分析

為了分析右洞后行開挖對左洞（先行洞）圍巖位移的影響，提取了左右洞在不同開挖階段的拱頂和拱底的豎向位移值，以及左右洞拱肩和拱腰的水平收斂值。然后繪制了圍巖豎向位移和水平收斂的變化曲線圖，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，左洞（先行洞）右上導(dǎo)坑3開挖時(shí)，左洞拱頂豎向圍巖出現(xiàn)急劇的豎向位移沉降，沉降值達(dá)到16.8 mm，同時(shí)拱底快速隆起，隆起值為18.4 mm。隨著初期支護(hù)的實(shí)施以及后續(xù)導(dǎo)坑的開挖，左洞拱頂圍巖的豎向位移逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。說明初期支護(hù)對隧道拱頂?shù)某两稻哂酗@著的抑制作用。

進(jìn)行右洞（后行洞）左上導(dǎo)坑1開挖時(shí)，左洞的拱頂豎向圍巖出現(xiàn)了0.8 mm的突發(fā)性變形。后續(xù)中、下臺(tái)階的開挖，左洞拱頂豎向圍巖呈現(xiàn)出緩慢增加后趨于穩(wěn)定的變形趨勢。其原因是后行洞開挖時(shí)，地下應(yīng)力進(jìn)行重分布，導(dǎo)致先行洞的拱頂圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生豎向位移。

后行洞開挖初期，對左洞的應(yīng)力分布調(diào)整效應(yīng)最為顯著，左洞的拱底隆起出現(xiàn)了1 mm的衰減，后續(xù)拱底隆起值的變化規(guī)律與拱頂沉降一致，表明先行洞的拱底通常通過支護(hù)結(jié)構(gòu)來保持穩(wěn)定。后行洞的開挖引起周圍地層的變形與應(yīng)力調(diào)整，從而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。隨著后行洞的開挖，拱頂圍巖的豎向位移增加，導(dǎo)致原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)在保持穩(wěn)定的同時(shí)，對拱底圍巖的約束作用減弱，進(jìn)而減少了拱底的隆起現(xiàn)象。

根據(jù)圖6顯示，左洞的拱腰擴(kuò)張值和拱肩收斂值的變化趨勢與拱頂沉降的趨勢相似，表現(xiàn)為突發(fā)性變形，隨后逐漸緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。右洞（后行洞）的開挖導(dǎo)致左洞的拱腰擴(kuò)張值減小，同時(shí)拱肩的收斂值增加。這表明后行洞的開挖釋放了地下的應(yīng)力，影響了先行洞拱腰區(qū)域的水平應(yīng)力，導(dǎo)致拱腰的擴(kuò)張值減少。應(yīng)力的釋放還導(dǎo)致先行洞的拱肩區(qū)域承受更大的水平應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致拱肩的收斂值增加。

3.2" 支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.2.1" 左洞開挖支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是隧道工程中至關(guān)重要的參數(shù)之一。合理的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以確保支撐結(jié)構(gòu)在承受荷載和外部環(huán)境作用下保持穩(wěn)定，防止結(jié)構(gòu)破壞或失穩(wěn)，保證施工安全，故在開挖過程中，對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力模擬預(yù)測至關(guān)重要。

圖7、8分別為左洞開挖支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和左洞開挖中隔墻應(yīng)力云圖。由圖7可知，隨著左洞（先行洞）的開挖完成，隧道內(nèi)側(cè)（靠近后行洞）部分呈現(xiàn)受拉趨勢，應(yīng)力最大值為8.81 MPa，其余呈現(xiàn)受壓的力學(xué)狀態(tài)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂處，最大值為9.92 MPa，這種應(yīng)力狀態(tài)是隧道開挖導(dǎo)致的圍巖受力變化所致，而拱頂處由于受到了整個(gè)圍巖的壓力，導(dǎo)致壓應(yīng)力最大，且應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖8可知，CRD工序中隔墻的受力情況呈現(xiàn)中間受拉，二側(cè)受壓的趨勢，其原因?yàn)樵贑RD工序中，隔墻的受力情況與其結(jié)構(gòu)和受力機(jī)制密切相關(guān)。隔墻位于2個(gè)巖體塊之間，其作用是分隔這2個(gè)巖體塊并承擔(dān)由此產(chǎn)生的受力。當(dāng)巖體塊之間產(chǎn)生相對位移時(shí)，隔墻會(huì)受到拉力，這一部分主要集中在隔墻的中間部分。同時(shí)，由于巖體塊之間的相互擠壓作用，隔墻的兩側(cè)會(huì)受到壓力。

3.2.2" 右洞開挖支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

右洞（后行洞）的開挖不可避免會(huì)對左洞（先行洞）的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，對二者支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面應(yīng)力分析，對全面了解整個(gè)隧道工程的受力情況和支撐結(jié)構(gòu)的承載能力至關(guān)重要。圖9為右洞（后行洞）開挖完成后的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，圖10為右洞開挖中隔墻應(yīng)力云圖。從圖中可以觀察到，右洞開挖完成后，二者的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力和中隔墻應(yīng)力分布形態(tài)與左洞（先行洞）開挖完成時(shí)的應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)一致。

由應(yīng)力變化量分析可知，右洞開挖完成后整體呈現(xiàn)的應(yīng)力值要比左洞開挖完成后的應(yīng)力值大3%，可得右洞開挖對左洞開挖存在一定的影響，但由于雙線隧道之間距離偏大于2倍隧道寬度，影響又較小。

4" 結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元軟件對特大斷面雙洞隧道采用CRD工法的動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了左右洞先后開挖過程中的力學(xué)特征，得到如下結(jié)論：

1）右洞隧道后行開挖引起先行左洞隧道圍巖二次擾動(dòng)及位移疊加，導(dǎo)致圍巖位移分布形態(tài)呈沿左右洞中心線對稱分布，沉降量和沉降影響范圍有所增大;右洞隧道后行開挖，對左洞的應(yīng)力分布調(diào)整效應(yīng)最為顯著在于右洞隧道上臺(tái)階開挖階段。

2）在先行洞開挖過程中，后行洞的開挖導(dǎo)致地下應(yīng)力釋放，影響了先行洞的拱腰區(qū)域水平應(yīng)力，使得拱腰擴(kuò)張值減小;同時(shí)，先行洞的拱肩區(qū)域承受更大水平應(yīng)力，導(dǎo)致拱肩收斂值增加。

3）左右洞隧道施工過程中，后行洞的開挖對先行洞的支撐結(jié)構(gòu)影響較小，且最大主應(yīng)力多集中于中隔墻中部。

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作者簡介：張立銳（1982-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榈缆窐蛄核淼赖冉煌üこ淌┕ぜ夹g(shù)。