李兆琦 刘 洋 张朋天 王小敬
(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；
2.北旺建设集团有限公司，河北 承德 067000；
3.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)
随着隧道施工技术的不断提升，我国隧道建设得到长足的发展.目前，国内在建隧道下穿建筑物的方式多为斜穿，且以下穿现代建筑物为主，针对软弱围岩地区大断面下穿古长城隧道的施工研究较少.为达到国家文物局对于古长城保护的要求，需严格控制围岩变形与长城结构的沉降.本文以某公路隧道下穿古长城工程项目为案例，采用有限元软件FLAC3D进行数值模拟，针对在CD法、CRD法和三台阶法三种开挖工法下测得的监测点沉降值对上部长城的影响进行了对比分析，选择出更为合理的开挖方案，为今后的此类工程提供出解决的范例.
许多学者所做的研究为大断面隧道的开挖模拟提供了必要的依据，如张孟帅等[1]通过Ansys软件建立动态施工模型分析，得到CD法和CRD法应用于大断面隧道时产生不同的力学响应；
来弘鹏等[2]对西河口大断面隧道下穿明长城工程进行研究，通过室内模拟实验和现场监控沉降确定其施工方案的可行性；
刘诚等[3]对湖北省某条隧道使用有限元软件FLAC3D进行数值模拟，并分析多种开挖工法对隧道稳定性的影响；
孙星亮[4]对广乘山隧道工程采用密排超前小导管注浆加固，进行有限元数值模拟，并用数值计算结果和监测结果证明所选预加固措施的有效性；
唐思聪等[5]以人和场隧道为例，通过对比分析隧道塑性区的分布特征及开挖产生的扰动效应、围岩变形的时空效应等，得出安全、经济的最佳施工方案.
某公路隧道长度约为1360m，隧址区地貌单元属侵蚀构造低中山，地形中高侧低，地势起伏较大，坡度在10°～45°之间，平均海拔在800m左右，高差为89.02m.隧道对应的起终点桩号为YK0+660～YK2+080.隧址区围岩条件较差，为V级围岩，岩体稳定性较差，且存在多处断裂.隧道从古长城下穿过，隧道拱顶上地层主要以黄土为主，局部地区发现有卵石夹层.
2.1 建立模型
图1 计算模型
数值模拟采用FLAC3D软件，根据设计方案，在MIDAS软件中建立有限元模型并划分网格，将模型通过转换软件导入FLAC3D中.建立模型如图1所示，由圣维南原理确定模型范围为：y方向取100m，x方向上取100m(-50m～50m)，隧道埋深为50m[6].围岩用实体单元来模拟，衬砌等支护结构采用弹性材料提高材料参数来实现.上部长城模型用长方体单元模拟，平均高度设为6m，宽度定为10m.除上边界设定为自由边界之外，模型的x、y方向均有法向约束约束位移.围岩采用M-C本构模型，控制隧道洞径为6.5m.本文在深埋条件下，在V级围岩地区分别采用CD法、CRD法以及三台阶法进行隧道开挖的三维数值模拟[7-8].
根据工程资料显示，该研究区段内地层主要以黄土为主，力学参数参见表1[9].
表1 模型的物理力学指标
2.2 开挖方式
CD法开挖模拟的步骤顺序如下：首先在左侧导坑开挖后进行初期支护，然后进行右侧导坑开挖再施做初期支护，之后施做二次衬砌；
CD法断面如图2所示.CRD法的开挖断面在CD法基础上设置每步增加一道临时仰拱，CRD法断面如图3所示.台阶法断面如图4所示.
模拟三台阶法开挖的步骤顺序是：按照上、中、下三层台阶依次进行开挖，在每层开挖完成后进行初期支护；
三台阶法断面如图4所示，其中，上中下台阶的高度都为3m.
图2 CD法断面 图3 CRD法断面 图4 台阶法断面
3.1 沉降分析
3.1.1 各工法开挖得到的最终沉降位移分析
本隧道作为大断面下穿长城隧道，采用3种开挖工法：CD法、CRD法和三台阶法分别对该隧道开挖与支护进行数值模拟，开挖后的沉降位移云图如图5所示.
(a)CD法
(b)CRD法
(c)三台阶法
由图5所示的位移云图得到，CD法、CRD法和三台阶法三种工况下最大位移值分别是32.23mm、32.22mm和91.87mm，对比结果可知，在上述几种开挖工法下，拱顶均会发生不同程度的沉降.由沉降位移云图所示颜色深度的变化范围[10]，云图显示隧道底部存在隆起较大的情况，应及时施做仰拱初衬，并且控制衬砌材料参数以限制拱底的隆起程度，同时也可减小周边围岩的变形程度，对修建在软弱围岩上部的古长城能够控制其沉降.
同时隧道开挖后，监测点的位移值如表2所示，由于CD法是先开挖左侧土体，然后开挖右侧土体的顺序，较其他工法来说释放土压力更早，故左侧拱底隆起值大于拱顶沉降.CRD法相比三台阶法测得拱顶沉降量减少61.7%，比CD法拱顶沉降量减少0.8%；
CRD法比三台阶法在拱肩竖向位移减少52.5%，最跨度处水平收敛减少66.6%，拱脚竖向位移减少52.9%，拱底隆起减少64.9%.各关键点监测到的位移CRD法均要小于CD法，上述两种工法相较三台阶法对围岩变形约束的效果都更加突出.
表2 隧道最终位移监测值 mm
3.2 各监测点沉降值对比
3.2.1 长城沉降值对比
隧道开挖时会对围岩及上部长城造成一定的影响[11-13]，为保证隧道上方长城的结构安全，需严格控制隧道开挖时长城结构产生的沉降值.在本文中，为研究3种工法开挖对上部长城结构沉降值的影响，在本数值模拟中沿x轴方向在长城底部轴线上均匀布设监测点，设置x坐标范围为-50m～50m，测点间距为10m.据监测点记录的z方向位移数据表明，3种工法引起长城底部的沉降值如图6所示.
图6 三种开挖工法下长城沉降值与x坐标轴的关系
由图6可知，3种开挖工法下长城沉降值与x轴坐标关系趋势基本相同，在拱顶中心位置正上方x=0处，长城底部中心，测得该处的沉降值最大，沉降值最大为；
当随着x轴的坐标由长城底部中心向两侧移动，测得的长城基础的沉降值由最大沉降值开始逐渐减小，且以x=0直线为对称轴，x轴左右两侧长城底部沉降值呈轴对称式分布，沉降曲线走向基本呈“v”字型.
3.2.2 拱顶监测点沉降值
与地表变形值类似，在隧道拱顶沿y轴轴线均匀布设监测点，控制坐标范围为0m～100m，布设间距为10m，测得在3种工况下对应的隧道拱顶沉降值与y轴坐标的关系，如图7所示.
图7 三种开挖工法下拱顶沉降值与y轴坐标的关系
由图7所示可知，采用CRD法开挖拱顶沉降值最小，为13.93mm；
其次是CD法开挖的拱顶沉降值，为14.04mm；
造成拱顶沉降值最大的是台阶法，拱顶沉降值为36.37mm.
3.3 应力分析
隧道开挖完成后隧道上初期支护上关键点的最大、最小主应力值如表3所示(符号为拉为正,压为负).由表3可知，3种工法的拱顶拉应力均为最大拉应力处，拱肩次之，拱脚处最大主应力为负值,即拱脚全部承受压应力.
3种工法开挖在最大跨处的压应力要比其余关键点压应力值都大，而拱顶位置处压应力次之.最小压应力CD法和CRD法位于拱底，台阶法最小压应力位于拱脚.分析可知结论，CRD法在各关键监测点的拉应力与压应力都要小于CD法、台阶法.故3种开挖工法下CRD法应为最优考虑.
表3 3种开挖工法下关键监测点应力值
通过使用有限元软件FLAC3D，对CD法、CRD法和三台阶法3种开挖工法下隧道下穿古长城的施工过程进行数值模拟，分析不同工况下的长城沉降值以及各监测点沉降值与隧道位置的关系，得到以下结论：
1.使用CRD法进行开挖，沉降变形多发生在拱顶中心靠右的位置.左半部分开挖完成后，施做衬砌支护封闭，此时拱顶处于悬空状态且左侧围岩位移受限，因此右侧未开挖完全的围岩就会产生较大位移，右侧开挖累计沉降大于左侧，证明CRD法的开挖工序会对围岩变形与位移造成一定影响.故在偏压围岩开挖前，应探明围岩情况，通过模拟计算去避免不利状况的发生.
2.长城轴线与隧道拱顶中心轴线的相交处为长城沉降最大值处，且以拱顶中心轴线为对称轴，长城沉降值沿轴线两侧逐渐减小，呈轴对称式分布.
3.CD法开挖的沉降与应力值相比CRD法稍大，三台阶法最大.CRD法比三台阶法在拱肩竖向位移减少52.5%，最跨度处水平收敛减少66.6%，拱脚竖向位移减少52.9%，拱底隆起减少64.9%.根据国家文物局于2019年12月3日回复青海文物局《国家文物局办公室关于国道227线涉及青海长城、长宁遗址和寺沟遗址保护区部分工程建设方案意见的函》提出的指导意见，长城沉降值需尽可能减小，不能超过5mm的限制.使用CRD法进行下穿施工引起的长城沉降为4.98mm，能够满足控制古长城沉降、保证结构稳定性的施工要求，故CRD法为软弱围岩地区隧道下穿古长城综合效益最高的施工方法.
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