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【摘 要】 CD法是软弱围岩中修建隧道的重要施工方法之一。通过FLAC3D软件建立三维有限元模型，模拟CD法施工顺序，得到了不同开挖阶段隧道应力云图、位移云图等，并与全断面法施工对比分析。数值分析表明：最大应力和最大位移随施工阶段的不同而发生位置变化，拉应力由第一次开挖的0.5Mpa变为最后的1Mpa，压应力由1Mpa变为6Mpa;位移由开始的1.1cm变成最后的2.6cm。通过CD法施工和全断面施工位移对比发现：CD法可以有效解决软弱围岩隧道的施工难题。
【关键词】 CD法;软岩隧道;数值分析
引言：
随着我国公路运输量的日益增加和高等级公路建设的发展，大尺寸公路隧道将成为高等级公路隧道的重要组成部分。大断面公路隧道的断面积和跨度均较大，且在其形式上具有明显的特点，由此引发了很多的相关工程问题（如支护形式、支护形式、施工方法、围岩稳定、工程措施与工程造价等）。因此，对大跨径公路隧道的施工方法进行研究是十分必要的问题。本文以辽宁省大苇沟隧道为工程背景，对CD法施工进行了数值分析，并与全断面法施工进行了对比，以上研究为CD法施工提供了参考。
1 工程概况
大苇沟隧道位于建昌县，呈北东向展布，设计两条分离式单向隧道，属于中隧道。隧道区属低山区，地形较简单，两侧洞口处为坡积地貌，沟壑发育，两侧洞口坡度较缓，为5度～15度。山体总体呈西南向，最高海拔468.7m，最低海拔283.3m，相对高差186.4m。设计带处于阴山纬向构造体系中东段与大兴安岭-太行山新华夏构造体系东缘的交接部位，地质构造十分复杂，按构造体系可分东西向、构造北东向、构造北北东向、构造南北向构造。受构造影响，区内断裂较为发育，以东西向和北东向断裂为主。大苇沟隧道工程围岩地质情况见图1。
图1 大苇沟隧道围岩情况
2 支护情况
图2为大苇沟隧道断面及支护情况。
（1）主洞施工坚持“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、早成环、紧衬砌”的原则。
图2 隧道断面及支护
（2）中隔壁的临时支护采用钢支撑和锚喷支护，临时仰拱采用钢支撑。锚喷支护参数为：C25喷射早强砼厚150mm;砂浆锚杆长2.5m，环距1.0m，纵距与主洞相应段落的钢支撑相同。砂浆锚杆直径应大于杆体直径15mm，杆体周围水泥砂浆厚度不小于8mm，砂浆锚杆采用M20水泥砂浆锚固。
（3）初期砌衬：锚杆：￠22×5中空注浆锚杆，长度为3.5m，间排距为0.6×0.8m，喷射混凝土后200mm，钢筋网为￠8@200×200，钢拱架为Ⅰ18工字钢纵距0.6m。
（4）二次砌衬：钢筋网￠22@200mm双层，500mm厚钢筋砼。
3 数值分析
首先在有限元软件ANSYS中建立隧道有限元模型，并划分网格。然后将有限元网格导入到FLAC3D中，基于隧道开挖只对隧道半径的3-5倍附近围岩产生影响，因此模型横向宽度选取60m，高度选取50m，厚度取2m。模型總共生成了8275个节点，6488个单元，单元的最大体积为7.7m3，最小体积为0.018m3。边界条件如下：上部边界为自由边界，并施加等效覆岩自重荷载;水平方向边界为约束水平位移，模型下部为约束垂直位移。初始状态如下：初始原岩应力状态为自重荷载+构造应力，其中竖向应力为3.2MPa，水平方向为1.7Mpa。图3为有限元整体模型。围岩各种物理力学参数见表1。求解过程如下：首先求解得到原始地应力场，然后按CD法施工工序进行开挖并支护，记录相应变量。
图3 有限元网格模型
表1 岩石物理力学参数
地层
名称 弹性模量
E/Gpa 泊松比
μ 黏聚力
c/Mpa 抗压强度
σc/MPa 抗拉强度
σt/MPa 密度
ρ/MPa 摩擦角
φ/（°）
岩样 2.69 0.32 1.12 7.35 0.59 2365 28
4 结果分析
4.1应力分析
图4为数值模拟得到的竖向应力云图。由图可以看出：第一次开挖后，在隧道顶部出现拉应力0.5MPa，两侧出现压应力1MPa，但数值较小;随着开挖的不断进行，顶部拉应力逐渐增大1MPa，两侧压应力也明显变大约6MPa。
（a）第一次开挖后 （b）第二次开挖后
（c）第三次开挖后 （d）第四次开挖后
图4 隧道竖向应力云图
4.2位移分析
（a）第一次开挖后 （b）第二次开挖后
（c）第三次开挖后 （d）第四次开挖后
图5 隧道位移矢量云图
图5为不同施工阶段位移矢量云图。由图可以看出：第一次开挖后，最大位移约为1.1cm，发生在拱顶偏右的地方;第二次开挖后，最大位移为1.5cm，仍然发生在拱顶偏右的地方;第三次开挖后，最大位移约为2.6cm，发生在拱顶正上方，同时也能发现第三次开挖位移量贡献最大，施工时应更加谨慎。第四次开挖位移几乎没有发生变化。
4.3位移分析
CD法施工和全断面施工拱顶位移沉降、两帮位移情况见图6和图7。通过图6可以发现：全段面开挖时，拱顶最大位移约为11cm左右，而CD法施工时约为2.8cm，约为全断面施工时的1/4。由图7可以知道：全段面开挖时，两帮最大位移约为4cm左右，而CD法施工时约为1cm。
图6 拱顶沉降情况
图7 两帮位移情况
6 结论
基于实际工程，对大苇沟隧道进行了数值分析，得到主要结论如下：
（1）得到了CD法施工不同阶段的应力、位移等云图，发现最大应力和最大位移随施工阶段的不同而发生位置变化。
（2）拉应力由第一次开挖的0.5Mpa变为最后的1Mpa，压应力由1Mpa变为6Mpa;位移由开始的1.1cm变成最后的2.6cm。
（3）通过CD法施工和全断面施工位移对比发现：CD法可以有效解决软弱围岩隧道的施工难题。
参考文献：
[1]罗承平，宋林，张丛峰，赵敏聪.哈大客运专线笔架山隧道交叉中隔壁法施工方案改进分析[J].铁道建筑，2013，09：52-54.
[2]王连生.中隔壁法开挖修建黄土大断面双线铁路隧道施工工艺[J].科技情报开发与经济，2009，16：217-219.
[3]郭天城.交叉中隔壁法在公路隧道中的应用[J].四川建材，2009，06：141-142.
[4]王振宇.中隔壁法斜下穿既有公路双车道高速公路分离式隧道施工技术[J].水利科技与经济，2010，06：704-706.
[5]李建兵.客运专线大断面隧道交叉中隔壁法（CRD）和台阶法施工比较[J].中国西部科技，2010，27：19-20.
[6]黄鹏.浅埋大跨度隧道CRD法中隔壁安全性数值模拟分析[J].四川建筑，2011，04：122-123.
[7]罗彦斌，陈建勋.土质浅埋隧道CRD法施工中隔壁变形监测与分析[J].现代隧道技术，2011，06：105-109.
[8]张建国，王明年，俞尚宇.厦门东通道CRD法施工段中隔壁变形分析[J].隧道建设，2007，04：16-19.
[9]张建国，王明年，俞尚宇.厦门东通道CRD法施工段中隔壁安全性分析[J].公路，2008，03：207-211.
[10]苏文德.大跨海底隧道CRD施工段中隔壁的安全性[J].路基工程，2008，04：125-127.
[11]姚绍涛.隧道Ⅴ级围岩中隔壁（CD）法施工技术浅析[J].价值工程，2013，11：94-96.
【关键词】 CD法;软岩隧道;数值分析
引言：
随着我国公路运输量的日益增加和高等级公路建设的发展，大尺寸公路隧道将成为高等级公路隧道的重要组成部分。大断面公路隧道的断面积和跨度均较大，且在其形式上具有明显的特点，由此引发了很多的相关工程问题（如支护形式、支护形式、施工方法、围岩稳定、工程措施与工程造价等）。因此，对大跨径公路隧道的施工方法进行研究是十分必要的问题。本文以辽宁省大苇沟隧道为工程背景，对CD法施工进行了数值分析，并与全断面法施工进行了对比，以上研究为CD法施工提供了参考。
1 工程概况
大苇沟隧道位于建昌县，呈北东向展布，设计两条分离式单向隧道，属于中隧道。隧道区属低山区，地形较简单，两侧洞口处为坡积地貌，沟壑发育，两侧洞口坡度较缓，为5度～15度。山体总体呈西南向，最高海拔468.7m，最低海拔283.3m，相对高差186.4m。设计带处于阴山纬向构造体系中东段与大兴安岭-太行山新华夏构造体系东缘的交接部位，地质构造十分复杂，按构造体系可分东西向、构造北东向、构造北北东向、构造南北向构造。受构造影响，区内断裂较为发育，以东西向和北东向断裂为主。大苇沟隧道工程围岩地质情况见图1。
图1 大苇沟隧道围岩情况
2 支护情况
图2为大苇沟隧道断面及支护情况。
（1）主洞施工坚持“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、早成环、紧衬砌”的原则。
图2 隧道断面及支护
（2）中隔壁的临时支护采用钢支撑和锚喷支护，临时仰拱采用钢支撑。锚喷支护参数为：C25喷射早强砼厚150mm;砂浆锚杆长2.5m，环距1.0m，纵距与主洞相应段落的钢支撑相同。砂浆锚杆直径应大于杆体直径15mm，杆体周围水泥砂浆厚度不小于8mm，砂浆锚杆采用M20水泥砂浆锚固。
（3）初期砌衬：锚杆：￠22×5中空注浆锚杆，长度为3.5m，间排距为0.6×0.8m，喷射混凝土后200mm，钢筋网为￠8@200×200，钢拱架为Ⅰ18工字钢纵距0.6m。
（4）二次砌衬：钢筋网￠22@200mm双层，500mm厚钢筋砼。
3 数值分析
首先在有限元软件ANSYS中建立隧道有限元模型，并划分网格。然后将有限元网格导入到FLAC3D中，基于隧道开挖只对隧道半径的3-5倍附近围岩产生影响，因此模型横向宽度选取60m，高度选取50m，厚度取2m。模型總共生成了8275个节点，6488个单元，单元的最大体积为7.7m3，最小体积为0.018m3。边界条件如下：上部边界为自由边界，并施加等效覆岩自重荷载;水平方向边界为约束水平位移，模型下部为约束垂直位移。初始状态如下：初始原岩应力状态为自重荷载+构造应力，其中竖向应力为3.2MPa，水平方向为1.7Mpa。图3为有限元整体模型。围岩各种物理力学参数见表1。求解过程如下：首先求解得到原始地应力场，然后按CD法施工工序进行开挖并支护，记录相应变量。
图3 有限元网格模型
表1 岩石物理力学参数
地层
名称 弹性模量
E/Gpa 泊松比
μ 黏聚力
c/Mpa 抗压强度
σc/MPa 抗拉强度
σt/MPa 密度
ρ/MPa 摩擦角
φ/（°）
岩样 2.69 0.32 1.12 7.35 0.59 2365 28
4 结果分析
4.1应力分析
图4为数值模拟得到的竖向应力云图。由图可以看出：第一次开挖后，在隧道顶部出现拉应力0.5MPa，两侧出现压应力1MPa，但数值较小;随着开挖的不断进行，顶部拉应力逐渐增大1MPa，两侧压应力也明显变大约6MPa。
（a）第一次开挖后 （b）第二次开挖后
（c）第三次开挖后 （d）第四次开挖后
图4 隧道竖向应力云图
4.2位移分析
（a）第一次开挖后 （b）第二次开挖后
（c）第三次开挖后 （d）第四次开挖后
图5 隧道位移矢量云图
图5为不同施工阶段位移矢量云图。由图可以看出：第一次开挖后，最大位移约为1.1cm，发生在拱顶偏右的地方;第二次开挖后，最大位移为1.5cm，仍然发生在拱顶偏右的地方;第三次开挖后，最大位移约为2.6cm，发生在拱顶正上方，同时也能发现第三次开挖位移量贡献最大，施工时应更加谨慎。第四次开挖位移几乎没有发生变化。
4.3位移分析
CD法施工和全断面施工拱顶位移沉降、两帮位移情况见图6和图7。通过图6可以发现：全段面开挖时，拱顶最大位移约为11cm左右，而CD法施工时约为2.8cm，约为全断面施工时的1/4。由图7可以知道：全段面开挖时，两帮最大位移约为4cm左右，而CD法施工时约为1cm。
图6 拱顶沉降情况
图7 两帮位移情况
6 结论
基于实际工程，对大苇沟隧道进行了数值分析，得到主要结论如下：
（1）得到了CD法施工不同阶段的应力、位移等云图，发现最大应力和最大位移随施工阶段的不同而发生位置变化。
（2）拉应力由第一次开挖的0.5Mpa变为最后的1Mpa，压应力由1Mpa变为6Mpa;位移由开始的1.1cm变成最后的2.6cm。
（3）通过CD法施工和全断面施工位移对比发现：CD法可以有效解决软弱围岩隧道的施工难题。
参考文献：
[1]罗承平，宋林，张丛峰，赵敏聪.哈大客运专线笔架山隧道交叉中隔壁法施工方案改进分析[J].铁道建筑，2013，09：52-54.
[2]王连生.中隔壁法开挖修建黄土大断面双线铁路隧道施工工艺[J].科技情报开发与经济，2009，16：217-219.
[3]郭天城.交叉中隔壁法在公路隧道中的应用[J].四川建材，2009，06：141-142.
[4]王振宇.中隔壁法斜下穿既有公路双车道高速公路分离式隧道施工技术[J].水利科技与经济，2010，06：704-706.
[5]李建兵.客运专线大断面隧道交叉中隔壁法（CRD）和台阶法施工比较[J].中国西部科技，2010，27：19-20.
[6]黄鹏.浅埋大跨度隧道CRD法中隔壁安全性数值模拟分析[J].四川建筑，2011，04：122-123.
[7]罗彦斌，陈建勋.土质浅埋隧道CRD法施工中隔壁变形监测与分析[J].现代隧道技术，2011，06：105-109.
[8]张建国，王明年，俞尚宇.厦门东通道CRD法施工段中隔壁变形分析[J].隧道建设，2007，04：16-19.
[9]张建国，王明年，俞尚宇.厦门东通道CRD法施工段中隔壁安全性分析[J].公路，2008，03：207-211.
[10]苏文德.大跨海底隧道CRD施工段中隔壁的安全性[J].路基工程，2008，04：125-127.
[11]姚绍涛.隧道Ⅴ级围岩中隔壁（CD）法施工技术浅析[J].价值工程，2013，11：94-96.