強風化千枚巖地層隧道開挖方法的數值分析

冷 浩, 周曉軍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

?

強風化千枚巖地層隧道開挖方法的數值分析

冷 浩, 周曉軍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

采用有限差分法對某隧道出口段強風化千枚巖地層中擬采用的傳統三臺階七步開挖法與新三臺階七步開挖法的施工過程進行了數值模擬。通過對相應施工方法下隧道圍巖發生的變形和支護結構內力的對比與分析，結果表明新三臺階七步開挖法更有利于控制隧道施工期間所引起的圍巖變形，可適合于強風化千枚巖地層中隧道出口段的施工。

傳統的三臺階七步開挖法； 新三臺階七步開挖法； 圍巖變形； 支護內力； 數值模擬

近年來傳統的三臺階七步開挖法在大斷面隧道施工中得到廣泛應用，如蘭渝鐵路毛羽山隧道、雅康高速公路的前碉隧道[1]等。傳統的三臺階七步開挖法針對圍巖條件較好的地層具有技術成熟、施工工藝簡單、施工方式靈活等特點，但是對處于軟弱地層中的大斷面隧道而言，采用傳統的三臺階七步開挖法施工時存在拱頂和拱肩處圍巖變形難以控制、施作初期支護時難度較大、風險系數較高等突出的問題。因此，需要對傳統的三臺階七部開挖法進行改進。本文基于新建成蘭鐵路某隧道出口端處于強風化炭質千枚巖地層的工程實際，從控制隧道施工期間的圍巖變形為目標，保證隧道施工過程的快速安全，提出了便于控制圍巖變形的新三臺階七步開挖法[2]，并建立三維數值模型就兩種施工方法所引起的隧道圍巖變形和支護結構內力進行對比分析。

1 工程背景

2 施工方法選取

參閱相關文獻[3-15]，對于絕大多數的山嶺地區穿越軟弱圍巖的鐵路和公路大斷面隧道而言，為了有效地降低隧道施工安全風險，控制隧道施工而引起的圍巖變形、沉降，目前的技術現狀主要以臺階法和分部開挖法進行施工。鑒于該隧道出口段穿越節理極為發育的千枚巖地層，結合國內軟弱圍巖隧道的施工經驗，經過對傳統的三臺階七步開挖法施工工法的研究，為降低隧道施工期間的安全風險，控制圍巖發生過大的變形，結合文獻[2]中所提出的適合于黃土大斷面隧道的新開挖方法，將方法擬應用于該隧道出口段大斷面隧道的施工。采用有限差分法分別建立針對兩種臺階法的三維數值模型，對隧道施工過程進行數值計算，以便通過隧道開挖而引起的圍巖變形和支護內力的對比來確定適合于該隧道出口段的施工方法。

傳統的三臺階七步開挖法是指在隧道開挖過程中，將隧道開挖輪廓線范圍內的圍巖劃分為7個不同的開挖分部，如圖1所示。而新三臺階七步法[2]是對傳統三臺階七步開挖法的改進，其特點是將隧道開挖輪廓線范圍內的圍巖分割為7個分部，如圖2所示。

圖1 三臺階七步開挖法施工步驟 (單位: m)

圖2 新三臺階七步開挖法施工步驟 (單位: m)

3 施工方法的數值分析與對比

3.1 模型尺寸

根據該隧道出口段襯砌結構設計特點，其開挖斷面凈高為10.67 m，最大開挖跨度為9.40 m，隧道襯砌結構斷面圖如圖3所示。據此建立了出口段隧道與地層結構共同作用的三維有限差分模型，如圖4所示。

圖3 隧道出口段襯砌結構斷面(單位：mm)

圖4 洞口段三維數值模型

隧道三維有限差分模型的上邊界取至地表面，下部邊界與隧道仰拱底部的距離為40 m，左右兩側邊界至隧道中心線的距各為40 m，隧道縱向長度為48 m；仰坡高度為48 m，坡度45°。為便于對比和分析，兩種工法的三維計算模型的邊界條件、圍巖巖性以及支護結構的物理力學參數在兩種開挖過程的模擬計算中均保持相同。根據隧道地質勘察資料，合理的選取相關的物理力學參數，具體取值見表1。此處不考慮千枚巖的節理的影響以及地下水的影響。

表1 圍巖和支護結構物理力學參數

隧道超前地質加固采用大管棚注漿，間距0.4 m；初期支護采用鋼筋網和噴射混凝土:噴射混凝土強度等級為C25，鋼筋網作用體現在Shell單元參數提高上，二襯采用C30模筑鋼筋混凝土。在三維數值模擬計算中，千枚巖地層采用實體單元加以模擬，不考慮錨桿的作用。對于襯砌的參數，由于鋼拱架與噴射混凝土實際上是共同受力、共同變形，所以鋼拱架可以根據鋼筋混凝土計算原理采用等效截面計算，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，同樣二次襯砌也據此計算，采用面積和轉動慣量不變，將鋼拱架(鋼筋)和混凝土的彈性模量綜合統一的轉化方法，其轉換公式為[16]：

(1)

式中：En為混凝土和鋼拱架換算后的彈性模量；An為混凝土和鋼拱架總面積；Ec為混凝土的彈性模量；Ac為混凝土的面積；Es為鋼拱架的彈性模量；As為鋼拱架的面積。

3.2 施工工序

對傳統三臺階七步開挖法施工過程的模擬，從圖1中所示的第1步開始，按照先后順序依次模擬隧道的施工過程，直至整個隧道二次襯砌澆筑完畢，共模擬計算有41個步驟，且每個步驟內模擬的巖體開挖進尺均為2 m，具體模擬計算的開挖步驟如下：

(1)第1步，進行1部內巖體的開挖，開挖進尺為2 m，并施做初期支護。

(2)第2步對1部繼續開挖2～4 m，施做初期支護。

(3)第3步對1部繼續開挖4～6 m，施做初期支護。

(4)第4步對1部繼續開挖6～8 m，然后將2部開挖進尺2 m，將6-1部開挖進尺2 m，同時在1部以及2部內施做初期支護。

以此類推，根據上述施工步驟直到開挖進尺到48 m。然后當1部巖體開挖進尺至38 m時，在洞口段開始從洞口以4 m為一個循環開始施做二襯。

對于新三臺階七步開挖法的三維模型而言，仍然將每個分部內巖體被挖除的進尺設為2 m，從1部開挖直至整個隧道二次襯砌澆筑完畢，共模擬計算了39個步驟, 具體模擬開挖的計算步驟如下：

(1)第1步中進行1部巖體的開挖，進尺為2 m，并施做初期支護。

(2)第2步中對1部繼續開挖，進尺為2～4 m，施做初期支護。

(3)第3步中對1部巖體繼續開挖，進尺為4～6 m，施做初期支護。

(4)第4步中對1部巖體的開挖進尺為6～8 m，對2部內的巖體開挖進尺為2 m，并施做1部和2部的初期支護。

以此類推，按照上述施工步驟直到開挖進尺達到48 m。至此，當1部開挖進尺達到34 m時，在洞口段開始從洞口以4 m為一個循環開始施做二襯。

3.3 計算結果分析

通過對兩種施工方法開挖過程的數值模擬，主要從開挖所引起的圍巖拱頂沉降、斷面水平位移和初期支護的受力狀況進行比對與分析。

3.3.1 監測斷面關鍵點位移對比分析

根據數值模擬計算的結果，為分析兩種施工方法所引起的圍巖變形，選取埋深最小處作為圍巖變形的監測斷面，因為埋深最小處不利于形成有效的承載拱，圍巖穩定性較差，該斷面里程距離隧道洞口2 m里程，其中監測斷面內包括6個關鍵點如圖5所示；通過對數值模擬計算結果的分析，在隧道開挖過程中不同步驟下各個關鍵點上的位移結果分析如圖6～圖13所示。

圖5 隧道周邊特征關鍵點位置

圖6 不同工法下拱頂沉降與開挖步驟的關系曲線

圖7 不同工法下左側拱肩沉降與開挖步關系曲線

圖8 不同工法下右側拱肩沉降與開挖步關系曲線

圖9 不同工法下左側拱肩水平位移與開挖步關系曲線

圖10 不同工法下右側拱肩水平位移與開挖步關系曲線

圖11 不同工法左側拱腳水平位移與開挖步關系曲線

圖12 不同工法下右側拱腳水平位移與開挖步關系曲線

圖13 不同工法下拱底豎向位移與開挖步關系曲線

通過對兩種施工方法下監測斷面各監測點的位移狀況對比，其結果如表2所示。從表2和圖6～圖13可以看出，與傳統的三臺階七步開挖法相比，在相同條件下采用新三臺階七步開挖法進行施工時，后者所引起的隧道拱頂下沉量減少了20.05 %，拱肩水平收斂減少了23.19 %，拱底鼓底減少20.1 %，但隧道底部拱腳處的水平位移卻增大了35.74 %，導致這種情況的其原因可能是由于仰拱部位分部開挖，支護結構不能及時閉合，整個支護結構拱腳處受力較大，導致位移值增大。

表2 監測點的位移

3.3.2 監測斷面支護結構受力狀態對比與分析

為了分析隧道支護結構受力的最不利位置，選取距離隧道洞口里程為2 m處的斷面為研究斷面。針對所選取的斷面，分析其斷面處初期支護的受力特征。根據數值模擬計算中所確定的監測斷面各個監測點的位移狀況，當模擬開挖的施工步驟達到第20步即1部的開挖進尺達到40 m時，監測斷面內各個關鍵點的位移趨于穩定并達到峰值，此時初期支護處于最不利的受力狀態，其應力狀態如表3所示。

表3 初期支護結構應力

4 結 論

通過對該隧道出口段采用傳統三臺階七步開挖法和新三臺階七步開挖法施工過程的數值模擬，結果表明：與傳統三臺階法相比，采用新三臺階七步開挖法施工時所引起的隧道拱頂沉降、拱肩下沉、拱腳水平收斂以及初期支護的應力均較小。

數值模擬結果表明兩種工法均是可行的，但新臺階七步法更有利于控制圍巖發生的過大變形，而且隧道拱頂、拱肩部位初期支護的應力也小；針對新三臺階七步法開挖，由于開挖斷面更大，工序更為簡便易行，可以有效降低工程造價；對圍巖變形的控制也更加理想，因此建議采用新三臺階七步法進行施工作業。

[1] 蘭宇,趙玉東. 三臺階七步開挖法在雅康高速前碉隧道中的應用[J]. 山西建筑,2015(9):161-162.

[2] 周曉軍,王曉峰,胡鴻運.一種適用于大斷面黃土隧道的開挖方法: ZL201310024356.4[P].2013.

[3] 陳立保. 三臺階法在客運專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應用[J]. 鐵道工程學報,2008(12):72-74.

[4] 李東平. 大斷面黃土隧道施工技術探討[J]. 山西建筑,2008(5):329-330.x.

[5] 夏潤禾. 三臺階六部短距法在鐵路隧道施工中的應用研究[J]. 鐵道工程學報,2012(3):58-63.

[6] 丁維利.大斷面黃土隧道二臺階四步開挖施工技術[J].鐵道標準設計, 2007(S1): 109-111.

[7] 席俊杰,李德武. 紙坊隧道三臺階與兩臺階開挖數值模擬對比分析[J]. 隧道建設,2010(2):147-150.

[8] 原小帥,張慶松,李術才,等. 超大斷面炭質千枚巖隧道新型支護結構長期穩定性研究[J]. 巖土力學,2011(S2):556-561.

[9] 鄧成語. 高地應力炭質千枚巖隧道支護及襯砌結構形式研究[D].石家莊鐵道大學,2014.

[10] G.swobodu Numerical modeling of tunnels，Numerical methods and constitutive modeling in geomechanics，Vdine，Eds.C.S.Desai and G.Gioda Springer Verlag，Wien：277-318.

[11] E.A.Hanafy and J.J.Emery. Advancing Face Simulation of Tunnel Excavations and Lining Placement，Underground Rock Engineering，CIM Special，vol.22：P119-125.

[12] G.Swoboda and A.Abu-Krisha，Three-Dimensional Numerical modeling for TBM Tunnellingin Consolidated clay，Tunnelling and underground space technology，1999，vol.14 No.3.

[13] 劉小軍,張永興.淺埋偏壓隧道洞口段合理開挖工序及受力特征分析[J].巖石力學與工程學報,2011(S1):3066-3073.

冷浩(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為山嶺隧道施工力學。

U455.41+1

B

[定稿日期]2016-06-28