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摘要：本文以G351湖北省咸丰县荔木隧道开挖工程为研究背景，利用有限元软件ABAQUS模拟CRD工法的施工过程，分析隧道开挖对其自身结构及周边围岩的影响。结果表明：隧道开挖会引起周边围岩及隧道结构产生一定的变形;超前支护加固岩体能有效减小隧道开挖的影响。研究成果可为今后类似工程提供借鉴。
关键词：山岭隧道;有限元;CRD工法;隧道开挖
0 引言
随着我国基础设施建设的不断推进，复杂地层条件下的隧道工程越来越多[1]。CRD法（交叉中隔壁法）在保证隧道安全施工上有其独特的优点，适用于围岩等级低、对围岩沉降变形控制严格的隧道施工[2]。而隧道施工过程中周边围岩及隧道自身结构的稳定性对于施工安全十分重要，鉴于此，本文依托G351湖北省荔木隧道工程，采用大型商业有限元软件ABAQUS模拟了隧道CRD法施工，探讨了开挖过程对隧道自身及周边围岩的影响规律，为今后类似工程提供一定的参考。
1 工程概况
荔木隧道位于湖北省恩施州咸丰县小村乡荔木村附近，该隧道为单洞开挖隧道，开挖跨度12m，开挖面积约100m2。洞身主要穿越志留系龙马溪组砂质页岩，地层分布较稳定，围岩级别为Ⅴ级。隧道洞口侧为浅埋偏压，两面承受不对称荷载，开挖过程中容易导致围岩产生较大变形，影响施工安全及稳定性。
2 有限元模型的建立
2.1 模型概况
采用ABAQUS软件建立该山岭隧道的二维平面应变模型，计算模型遵照弹塑性理论影响范围，基于圣维南原理[3]，取模型范围为横向150m，竖向60m。计算模型左、右边界施加水平约束，底部边界施加法向约束，边坡及地表为自由边界，不受任何约束。整体有限元模型如图1所示。
2.2 模型参数
模型中所有部件均采用CPE4单元，其中围岩采用摩尔-库伦本构，其它结构体均采用弹性本构。计算参数如表1所示。隧道顶部设置超前小导管并注水泥浆进行超前支护，超前小导管的加固效果可通过提高围岩的物理力学参数来实现，即用等效加固体来模拟隧道上方的围岩。
2.3分析工况
为了分析超前支护加固的效果，设置工况一为未进行超前支护加固，工况二进行了超前支护加固。本次模拟共6个施工步，主要涉及巖体开挖、隧道支护等过程。施工步1为初始应力场分析;施工步2至施工步5均为导洞开挖，并同时施作导洞初期支护成环，其对应的导洞顺序见图1中的1-2-3-4;施工步6为拆除中隔壁及临时支护，施作二次衬砌。
3 数值仿真结果分析
3.1 围岩变形
在隧道施工过程中，对于围岩稳定性的控制尤为重要，围岩位移可作为评判围岩稳定性的判据之一[4]。围岩位移随施工步的变化情况如图2所示。
由图2可知，隧道的施工开挖会引起围岩的拱顶沉降变形和拱底隆起变形，且随着开挖步的推进，围岩的变形量在增加。由于工况二小导管的超前支护只是在拱顶进行，故工况一和工况二中拱底的变形曲线基本重合，而工况二拱顶的变形则明显比工况一要小。工况二拱顶最大沉降值为2.48mm，比工况一拱顶最大沉降值减小了约20%，这表明超前支护能明显降低围岩的沉降变形。
3.2地表及边坡变形
选取边坡上3个关键点（坡顶、坡中和坡底）以及上地表1个点，分析隧道施工开挖的影响，见图3。
图3可以看出，边坡及地表整体随着开挖步的推进一直在发生沉降变形。需要注意的是，工况二坡中在前两个开挖步时，有轻微的隆起，这可能与坡中距超前支护加固圈的距离较短有关。相比与其他位置的变形量，坡底的沉降值非常小，隧道开挖对坡底的影响最小。在整个开挖过程中，开挖步2和开挖步4的沉降变化曲线较为平缓，这是由于开挖步2和开挖步4都是在施工下侧导洞，主要引起的是隧道下部的隆起，而对隧道上部的沉降变形影响相对较小。隧道开挖对坡顶的影响最大，坡顶的最大沉降值为1.93mm，超前支护加固能明显降低边坡及地表的变形，工况二坡顶的最大沉降值仅为1.36mm，减小了30%左右。隧道开挖的影响程度为坡顶>坡中>地表>坡底，这主要是隧道与边坡的相对位置所决定的。
3.3 初衬受力
采用CRD法进行隧道施工，随着岩体的开挖，初支受力体系在不断地转换，初支的应力极值出现的位置也在不断地变化，初支成环中各个角点位置容易产生应力集中，施工中应注意初支的受力情况。
由于初支中的中隔壁及临时支护最终会拆除，只需关注隧道初衬的Mises应力，见表2。
由表2可知，初衬的应力最大值出现在拱腰位置，且隧道为偏压隧道，左拱腰的应力值略大于右拱腰。工况二相比与工况一拱顶的应力值减小明显，由工况一的3.29MPa减小到了1.72MPa，表明了超前支护加固能有效减小隧道上部的受力。
4 结论
（1）隧道开挖会引起围岩拱底的隆起与拱顶的沉降，边坡与地表也会产生一定的沉降，其影响程度与隧道和边坡的相对位置有关。
（2）超前支护加固岩体能有效减小隧道开挖对周边环境的影响。
参考文献
[1]杨彦亮，李锡波，毛洪录.高地应力条件下深埋隧道开挖方式数值优选及工程应用[J].隧道建设，2013，33（09）：735-740.
[2]柳之森.复杂条件下地铁隧道CRD法施工技术研究[J].人民长江，2021，52（S1）：244-246.
[3]邓一，沙鹏，练浩，张恺.层状岩体隧道CRD法施工工序数值模拟研究[J].公路，2020，65（04）：377-382.
[4]牟智恒，严涛，田明杰，张佳鑫.邻路基变坡条件下浅埋偏压隧道施工工法及合理开挖工序研究[J].土木工程学报，2017，50（S2）：203-208.
作者简介：韩苗（1985-），男，本科，工程师。研究方向：隧道及地下工程
关键词：山岭隧道;有限元;CRD工法;隧道开挖
0 引言
随着我国基础设施建设的不断推进，复杂地层条件下的隧道工程越来越多[1]。CRD法（交叉中隔壁法）在保证隧道安全施工上有其独特的优点，适用于围岩等级低、对围岩沉降变形控制严格的隧道施工[2]。而隧道施工过程中周边围岩及隧道自身结构的稳定性对于施工安全十分重要，鉴于此，本文依托G351湖北省荔木隧道工程，采用大型商业有限元软件ABAQUS模拟了隧道CRD法施工，探讨了开挖过程对隧道自身及周边围岩的影响规律，为今后类似工程提供一定的参考。
1 工程概况
荔木隧道位于湖北省恩施州咸丰县小村乡荔木村附近，该隧道为单洞开挖隧道，开挖跨度12m，开挖面积约100m2。洞身主要穿越志留系龙马溪组砂质页岩，地层分布较稳定，围岩级别为Ⅴ级。隧道洞口侧为浅埋偏压，两面承受不对称荷载，开挖过程中容易导致围岩产生较大变形，影响施工安全及稳定性。
2 有限元模型的建立
2.1 模型概况
采用ABAQUS软件建立该山岭隧道的二维平面应变模型，计算模型遵照弹塑性理论影响范围，基于圣维南原理[3]，取模型范围为横向150m，竖向60m。计算模型左、右边界施加水平约束，底部边界施加法向约束，边坡及地表为自由边界，不受任何约束。整体有限元模型如图1所示。
2.2 模型参数
模型中所有部件均采用CPE4单元，其中围岩采用摩尔-库伦本构，其它结构体均采用弹性本构。计算参数如表1所示。隧道顶部设置超前小导管并注水泥浆进行超前支护，超前小导管的加固效果可通过提高围岩的物理力学参数来实现，即用等效加固体来模拟隧道上方的围岩。
2.3分析工况
为了分析超前支护加固的效果，设置工况一为未进行超前支护加固，工况二进行了超前支护加固。本次模拟共6个施工步，主要涉及巖体开挖、隧道支护等过程。施工步1为初始应力场分析;施工步2至施工步5均为导洞开挖，并同时施作导洞初期支护成环，其对应的导洞顺序见图1中的1-2-3-4;施工步6为拆除中隔壁及临时支护，施作二次衬砌。
3 数值仿真结果分析
3.1 围岩变形
在隧道施工过程中，对于围岩稳定性的控制尤为重要，围岩位移可作为评判围岩稳定性的判据之一[4]。围岩位移随施工步的变化情况如图2所示。
由图2可知，隧道的施工开挖会引起围岩的拱顶沉降变形和拱底隆起变形，且随着开挖步的推进，围岩的变形量在增加。由于工况二小导管的超前支护只是在拱顶进行，故工况一和工况二中拱底的变形曲线基本重合，而工况二拱顶的变形则明显比工况一要小。工况二拱顶最大沉降值为2.48mm，比工况一拱顶最大沉降值减小了约20%，这表明超前支护能明显降低围岩的沉降变形。
3.2地表及边坡变形
选取边坡上3个关键点（坡顶、坡中和坡底）以及上地表1个点，分析隧道施工开挖的影响，见图3。
图3可以看出，边坡及地表整体随着开挖步的推进一直在发生沉降变形。需要注意的是，工况二坡中在前两个开挖步时，有轻微的隆起，这可能与坡中距超前支护加固圈的距离较短有关。相比与其他位置的变形量，坡底的沉降值非常小，隧道开挖对坡底的影响最小。在整个开挖过程中，开挖步2和开挖步4的沉降变化曲线较为平缓，这是由于开挖步2和开挖步4都是在施工下侧导洞，主要引起的是隧道下部的隆起，而对隧道上部的沉降变形影响相对较小。隧道开挖对坡顶的影响最大，坡顶的最大沉降值为1.93mm，超前支护加固能明显降低边坡及地表的变形，工况二坡顶的最大沉降值仅为1.36mm，减小了30%左右。隧道开挖的影响程度为坡顶>坡中>地表>坡底，这主要是隧道与边坡的相对位置所决定的。
3.3 初衬受力
采用CRD法进行隧道施工，随着岩体的开挖，初支受力体系在不断地转换，初支的应力极值出现的位置也在不断地变化，初支成环中各个角点位置容易产生应力集中，施工中应注意初支的受力情况。
由于初支中的中隔壁及临时支护最终会拆除，只需关注隧道初衬的Mises应力，见表2。
由表2可知，初衬的应力最大值出现在拱腰位置，且隧道为偏压隧道，左拱腰的应力值略大于右拱腰。工况二相比与工况一拱顶的应力值减小明显，由工况一的3.29MPa减小到了1.72MPa，表明了超前支护加固能有效减小隧道上部的受力。
4 结论
（1）隧道开挖会引起围岩拱底的隆起与拱顶的沉降，边坡与地表也会产生一定的沉降，其影响程度与隧道和边坡的相对位置有关。
（2）超前支护加固岩体能有效减小隧道开挖对周边环境的影响。
参考文献
[1]杨彦亮，李锡波，毛洪录.高地应力条件下深埋隧道开挖方式数值优选及工程应用[J].隧道建设，2013，33（09）：735-740.
[2]柳之森.复杂条件下地铁隧道CRD法施工技术研究[J].人民长江，2021，52（S1）：244-246.
[3]邓一，沙鹏，练浩，张恺.层状岩体隧道CRD法施工工序数值模拟研究[J].公路，2020，65（04）：377-382.
[4]牟智恒，严涛，田明杰，张佳鑫.邻路基变坡条件下浅埋偏压隧道施工工法及合理开挖工序研究[J].土木工程学报，2017，50（S2）：203-208.
作者简介：韩苗（1985-），男，本科，工程师。研究方向：隧道及地下工程