隧道开挖地段位于构造剥蚀严重，节理发育的强风化破碎岩体，洞身左侧山体明显偏斜，属于大偏压隧道。围岩为白垩系褐红色、灰褐色泥岩、砂岩不等厚互层，岩层产状215^。∠53^。；以强风化和强一弱风化基岩为主，呈角(砾)碎状松散结构，局部具有块状结构，为Ⅳ级围岩。为充分发挥挖除部分岩体的自支撑作用，防止全断面开挖引起围岩松弛破坏，采用CD法开挖。由于围岩处于大偏压状态，而且采用三心圆弧曲墙断面非对称开挖，给设计和施工带来很大的困难，为进一步了解左右不同顺序开挖导坑的施工中围岩和衬砌复杂的内力和位移变化过程，采用ADINA有限元软件分别对从左、右开挖导坑进行施工动态模拟，通过对比分析选出最佳导坑开挖顺序方案。

模型中作如下基本假设：

(1)整个断面地质参数是均匀的，无断层、裂隙、溶洞等不良地质现象；地质材料各向同性。

(2)由于工程开挖地段岩性差，岩体内构造应力基本上已经释放完毕，故不考虑构造应力。

(3)施工过程平稳、连续，为理想化施工，不考虑爆破、超欠挖等对岩体产生的影响。

隧道截面形式如图1所示，数值模型宽度为隧道净宽的8倍，120m，左边高26m，右边高116m，隧道拱顶到坡面的垂直距离为26m，坡面倾角37^。。根据工程地质条件与力学性态，计算采用Mohr-Cou—

lomb本构模型，屈服准则采用Mohr—Coulomb准则，初期支护和二次衬砌均采用2D-solid线弹性单元。左右边界约束Y方向位移，顶面为自由面，底面约束Z方向位移。采用4节点四边形单元划分网格，网格划分后共生成12320个单元和12386个节点，后处理中模型网格图如图2所示。在ADINA中，模拟开挖过程采用“单元生死”的方法，挖除岩土(体)用“单元死”，即刚度消失，加设支护用“单元生”。根据无支护情况下模型的计算，取最佳应力释放率30%。

由于模型中顶面是斜面，故不能采用ADINA提供的InitialGeologicalStress方式输入初始应力场。需要先根据围岩参数对模型加重力荷载进行计算，计 算完毕后进人后处理模块，列出所有节点力，把结果导出到TXT文件，通过EXCEL把TXT文件中的数据分列，最后把分列的TXT文件中的数据导人到前处理的InitialConditionStress中。这样就把初始应力场施加到整个模型上了。

由于隧道开挖地段岩性比较差，锚杆发挥的作用很小，故不采用锚杆加固。根据工程勘探和试验结果及JTGD70-2004((公路隧道设计规范》，围岩及支护结构计算参数见表1。

根据导坑的不同开挖顺序，分别从左、右两个不同方向开挖导坑进行施工动态模拟，施工步骤见图3，具体施工步骤见表2。

从图4可以看到，两种开挖方式产生的地面变形有一定的水平平移，右开挖产生的位移曲线反而在左，隧道中心左侧更加明显，偏移量达10m左右。隧道中心左侧地面有部分隆起，右开挖最大隆起值为0.87mm，大于左开挖的隆起值0.56mm。最大沉降均处于隧道中心右侧，右开挖产生最大沉降为6.81mm，左开挖产生的最大沉降为6.37mm。

从图5可知，两种导坑顺序开挖后围岩位移场均呈非对称分布，最大沉降均发生在拱顶右侧，从右侧开挖导坑(以后简称“右开挖”)围岩产生最大沉降处离拱顶中心水平距离2.25m，大小为12.82mm；而从左侧开挖导坑(以后简称“左开挖”)则最大沉降处离拱顶中心1.87m，大小为12.56mm，右开挖产生的最大沉降是左开挖的1.02倍。初始地应力场的分布不对称，洞室右边围岩初始地应力大于左边围岩初始地应力是位移场分布不对称的主要原因。右开挖中，当挖除导坑上部分岩体时，围岩应力迅速释放了0.145MPa，最大沉降值为5.62mm，占最终沉降的43.8%；而左开挖中，挖除导坑上部岩体时围岩应力释放只有0.131MPa，最大沉降值为3.86mm，占最终沉降量的30.7%。

左开挖底部隆起最大值为14.66mm，在拱底中心左侧水平距离为1.25m处。右开挖底部隆起最大值为14.33mm，在拱底中心右侧的0.56m处。可见，左开挖产生的底部围岩隆起量比右开挖产生的大2.3%，说明底部隆起量与开始开挖时围岩应力释放多少有关。右开挖时挖除上半部分岩体，释放了大部分围岩应力，使得底部的围岩压力向右上部分转移，当开挖下部岩体时，底部的围岩应力大部分已经释放完了。因此，左开挖产生的底部隆起最大值大于右开挖产生的隆起最大值。

计算结果表明：右开挖拱顶中点最终产生的沉降为11.42mm，左开挖产生的沉降为11.75mm，见图6.可见，左、右开挖拱顶中点产生的沉降量相差不大。从图中还可以看出，初期支护完成后，拱圈封闭之后拱顶中点沉降趋于稳定。

从图7可知，左开挖最终产生的拱底中点隆起量为13.93mm，右开挖产生14.19mm，说明右开挖产生的拱底中点隆起量比左开挖大1.8%，而两者的隆起速率相差不大。与拱顶中点沉降相似，初期支护完成后，拱底中点位移也趋于稳定。表明初期支护施作完成，形成了一个封闭的拱圈，产生了拱圈效应，比半拱效果更好。因此，拱圈的及时封闭有利于围岩变形的稳定。另外，左边墙Z₃位置左开挖产生最大水平向右位移2.25mm，而右开挖左边墙Y₃位置产生大水平向右位移为2.06mm，说明左边墙中点左开挖产生的水平位移比右开挖大0.19mm。右边墙Z₄位置左开挖产生最大水平向左位移1.97mm，右边墙Y₄位置右开挖产生最大水平向左位移为2.36mm，说明右边墙中点右开挖产生的水平位移比左开挖大0.39mm。这说明左、右开挖初始阶段均释放了大部分初始应力，使边墙发生了总位移的绝大部分。

左、右开挖对初期支护产生的最大主应力相差很大。在左开挖和右开挖施工过程中，初期支护最大主应力均发生在拱底中点处，但是右开挖产生的最大主应力为0.76MPa，而左开挖为0.97MPa，比右开挖大27.6%。可见，拱底是应力集中部位，在设计、施工过程中应引起足够的重视。

二次衬砌受力与初期支护受力相关，虽然在设计时二次衬砌只需承载渗透水压和符合美观的要求，不要求承担围岩压力。事实上，由于偏压造成二次衬砌产生裂缝、渗漏的情况很多，因此要对二次衬砌的受力状态进行分析。与初期支护相似，右开挖中二次衬砌的最大主应力发生在拱底偏左0.58m处，大小为0.13MPa，左开挖产生的最大主应力在拱底偏右1.21m处，大小为0.20MPa，是右开挖的1.5倍。二次衬砌的最大主应力处与拱底隆起最大值处基本一致，说明二次衬砌受力主要受底部围岩隆起的影响。

采用非线性有限元模拟施工动态过程，研究分析CD法左、右导坑开挖时围岩位移及衬砌的内力。地形偏压隧道开挖后，地面变形与非偏压隧道开挖后完全不同，除了表现出明显的非对称特性外，在埋深小的一侧地面有部分土体隆起，应特别注意。地形偏压隧道开挖过程中，围岩位移表现出明显的非对称性，围岩最大沉降位置不在拱顶中心，而是偏向埋深大的一侧，导坑从埋深小的一侧开挖可以使偏离距离减小。地形偏压隧道开挖时围岩变形还与导坑开挖顺序有关，从埋深小的一侧开挖可减少地面和围岩变形。因此，从地面和围岩的变形角度来说，选择从埋深小的一侧开挖导坑比较有利。支护结构的内力大小也与导坑开挖顺序有关，从埋深大的一侧开挖可使初期支护最大主应力减少21.6%，同时二次衬砌减少35%。从支护结构的内力角度考虑，优先从埋深大的一侧开挖。地形偏压下隧道的支护结构可采用左右非对称结构设计，有利于结构的受力均匀，充分发挥材料的强度。

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知识点：偏压隧道CD法导坑开挖顺序数值分析