不同工法下層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩定性研究

袁健鄭偉趙興亞

(1.華東交通大學，江西南昌 330013; 2.中鐵二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

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不同工法下層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩定性研究

袁健1鄭偉1趙興亞2

(1.華東交通大學，江西南昌 330013; 2.中鐵二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

以湖北某高速公路修建的層狀軟巖小凈距隧道為工程背景，利用FLAC3D軟件對層狀軟巖小凈距隧道圍巖穩定性進行了數值分析，主要考慮Ⅳ級圍巖、中巖墻厚度一定時，不同開挖方法對圍巖穩定性的影響，并探討了層狀軟巖小凈距隧道開挖穩定機制，分析了傾斜狀層狀軟巖小凈距隧道開挖后應力場分布特征，研究結果可為類似工程施工提供參考。

層狀軟巖，小凈距隧道，穩定性分析，應力場

軟弱圍巖是指具有強度低、風化嚴重、節理破碎、巖石流變作用明顯等特征的巖層的統稱。相關學者在軟巖小凈距隧道方面已做了不少探索和研究，相關的理論已很豐富。目前針對軟巖小凈距隧道的研究，有的是針對小凈距隧道的力學特性，有的是針對軟巖隧道的支護手段，有的是關注開挖工法的模擬，把軟巖和小凈距結合并考慮上覆巖層因素對隧道圍巖及復合襯砌力學效應的影響的研究較少，尤其是不同開挖方式對隧道圍巖的變形、應力狀態、錨桿軸力及復合襯砌力學效應影響的研究更少。

本文以湖北某高速公路修建的層狀軟巖小凈距隧道某一隧段為研究對象，針對Ⅳ級圍巖條件下，中巖墻厚度一定時，對比CD法、CRD法、上下臺階法三種開挖方法，利用有限差分軟件FLAC3D對層狀軟巖小凈距隧道進行開挖模擬，并對結果進行處理。

1)通過數值模擬，得到三種開挖方法下，中巖墻厚度一定時，圍巖的最大主應力、最小主應力、拱頂最大位移、洞周位移及塑性區分布，比較三種開挖結果，尋找最優化的開挖方法。2)根據數值模擬結果，探討層狀軟巖小凈距隧道開挖穩定機制，并分析傾斜狀層狀軟巖小凈距隧道開挖后的應力場分布特征。

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

該隧道為上、下行分離的四車道高速公路互通匝道小凈距隧道，隧道洞軸線走向方位角289°。隧道左洞起訖里程樁號為BZK0+687～BZK1+165，長478 m，最大埋深48 m;隧道右洞起訖里程樁號為BYK0+680～BYK1+150，長470 m，最大埋深51 m，隧道凈空10.5 m×5.0 m。

1.2 工程地質概況

隧道BZK0+710～BZK0+760段為研究對象，隧道表面為粉質粘土，以泥質灰巖、頁巖為主，局部為泥巖，多為軟巖或極軟巖，巖性為泥質灰巖、頁巖互層，灰巖夾頁巖、頁巖夾灰巖，局部泥巖、泥灰巖、泥巖夾頁巖等組合形式交替出現，厚度一般為2 m～5 m，局部厚十幾米，其間的薄層泥灰巖或頁巖，施工揭露顯示大部分已泥化。巖體結構破碎，結構面發育。

2 建立模型

2.1 模型簡化

取建模時為計算方便，將巖層適當簡化合并為若干層。考慮隧道開挖半徑對圍巖的影響，在寬度方向左右各取3倍洞徑以上，即分別在兩洞邊緣向外延伸50m，約束橫向位移，加上隧道本身跨度及中巖墻厚度，則寬度方向計算范圍取為150 m，底部邊界取隧道高度的3倍，以40 m計，約束豎向位移，上部邊界取至地表，上部邊界為自由邊界。模型尺寸約為150 m×30 m×90 m。

計算模型取隧道軸線方向為Y軸，水平面內垂直隧道軸線方向為X軸，豎直方向為Z軸。

2.2 邊界條件

模型所在區域地應力僅以巖層自重考慮，計算模型的位移邊界和應力邊界為:左右邊界(X=-75，X=75)及底部邊界(Z=-90)位移為零，速度為零，頂部邊界(Z=0)為自由邊界，前后邊界(Y=0，Y =30)約束水平位移和速度。

2.3 巖體力學參數

隧道所處圍巖主要為頁巖和泥質灰巖，數值計算中圍巖物理力學性質指標由工程地質勘察報告提供，并對照公路隧道設計規范提供的各級圍巖物理力學指標標準值取值。

2.4 支護材料參數的確定

根據隧道施工設計圖紙，隧道采用復合式襯砌，圍巖力學模型采用FLAC3D中非線性Mohr-Coulomb彈塑性模型，初期支護和二次襯砌采用彈性模型模擬。隧道開挖后根據施工實際情況，立即進行噴錨支護，數值計算中考慮錨桿與噴射混凝土的力學作用，沒有考慮二次襯砌的支護作用。圍巖采用實體單元模擬(四邊形節點網格)。

3 結果分析

模擬隧道開挖時，分別模擬CD法、CRD法、三臺階法開挖方法施工，開挖順序與實際工法相同，具體根據實際情況先開挖右洞，待圍巖基本穩定后再開挖左洞。每次掘進3 m。計算采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性材料模型。根據不同圍巖對應的不同開挖方式，以及對應的支護參數不同進行數值模擬。

3.1 左右洞室位移分析

三臺階法開挖拱頂豎向位移較CD和CRD法小約20%，但是拱底隆起相較于其他兩種方法明顯較大，且拱腰和拱腳處的位移也較大，比較可知，采用三臺階法進行開挖時，應加強拱腰、拱腳和拱底處的支護，而采用CD和CRD法開挖時，著重注意的位置是拱頂處。

3.2 圍巖塑性區分析

因軟弱圍巖巖體較為破碎，強度低，三種工法均有較大剪切塑性區，且塑性區基本已貫通中巖墻區域，其余塑性區主要集中在拱腰和拱腳位置處。CD法和CRD法塑性區分布近似一致，三臺階法塑性區區域相對較大。這說明CD法和CRD法的支護效果要優于三臺階法。針對軟巖隧道，施工過程中若采用此工法施工應當加強支護，尤其對中巖墻的支護，以提高隧道圍巖的穩定性，提高隧道結構的安全性。

3.3 圍巖應力分析

由結果可知:同種工法左右洞相比較，拱頂最大壓應力、拱腰最大壓應力均比較接近，其中CRD法和CD法中，左右洞拱腰最大壓應力均是拱頂最大壓應力的2倍左右，三臺階法中，左右洞拱腰最大壓應力均是拱頂最大壓應力的30倍左右，這說明三種工法下，拱腰部位均是受擠壓力最嚴重的部位，在施工過程中要切實加強拱腰部位的支護，必要時加強支護。

4 結語

通過對三種工法下塑性區、圍巖變形及圍巖應力等方面的分析可知，在塑性區區域分布方面，CD法和CRD法比較相似，三臺階法開挖圍巖塑性區范圍最大;在圍巖變形方面，CD法略優于CRD法，三臺階法最差;在應力分析方面，CRD法和CD法拱頂最大壓應力、拱腰最大壓應力均比較接近，中巖墻最大壓應力CD法略小，最大主應力值CD法效果最好。

鑒于本文選取研究隧段圍巖埋深并不大，上覆層狀軟巖傾斜角度均較小，且上覆巖層層狀較多，巖體破碎，建模分析中適當做了簡化處理，導致數值分析結果未能充分體現傾斜層狀軟巖對圍巖穩定性的影響，但數值分析結果仍然可對相似類型隧道提供借鑒。因此，針對本文中所研究層狀軟巖小凈距隧道建議采用CD法或CRD法進行開挖。

［1］ JTG D70—2004，公路隧道設計規范［S］.

［2］ JTJ 042—2004，公路隧道施工規范［S］.

［3］ 孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

Study on interbedded soft rock sm all-interval tunnel surrounding rock stability under various construction methods

Yuan Jian1Zheng W ei1Zhao Xingya2

(1．Huadong University of Traffic，Nanchang 330013，China; 2．China Railway 2nd Bureau 4th Engineering Co．，Ltd，Chengdu 610306，China)

Taking the interbedded soft rock small-interval tunnel engineering of the highway in Hubei as the engineering background，the paper carries outnumerical analysis of interbedded soft rock small-interval tunnel surrounding rock stability by applying FLAC3D software，considers the impact of various excavation methods upon surrounding rock stability with certainⅣ-level surrounding rock and middle-rock wall thickness，and explores the excavation stability mechanism of interbedded soft rock small-interval tunnel，and finally analyzes excavated stress field distribution features of inclined interbedded soft rock small-interval tunnel，which has provided some guidance for similar engineering construction.

interbedded soft rock，small-interval tunnel，stability analysis，stress field

U452.12

A

1009-6825(2015)29-0168-02

2015-08-08

袁 健(1989-)，男，在讀碩士