高地應力軟巖隧道不同施工方法數值模擬變形分析研究

黃 俊，梁慶國，岳琳琳，樊純壇

(1.土木工程國家級實驗教學示范中心(蘭州交通大學)；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

隨著我國經濟的高速發展，鐵路網建設逐漸提上日程，在鐵路修建過程難免會遇到地質條件惡劣、隧道圍巖破碎、穿越高地應力地區的情況，在高地應力地區修建隧道，控制隧道變形是隧道開挖的重難點[1]，所以，選取恰當的施工方法就可以很好的控制變形。常用隧道開挖方法有全斷面法、臺階法、CD法、CRD法、超前導洞擴挖法等。CD法和CRD法雖然安全可靠，但存在工序復雜、造價增大、進度緩慢等不足，而臺階法在高地應力區變形會略顯偏大[2-4]，超前導洞擴挖法可以提前釋放地應力，能很好地控制變形，適用于高地應力軟巖隧道施工。

隧道圍巖的應力狀態與圍巖的穩定性直接相關，尤其是長大深埋隧道就更為突出[5，6]，在高地應力作用下，隧道圍巖易發生大變形[7]。對木寨嶺隧道的開挖方法進行數值模擬，篩選出適合高地應力軟巖隧道的開挖方式，以及控制高地應力隧道大變形的合理措施[8]。

1 工程概況

木寨嶺隧道在甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處，全長19 095 m，隧道洞身最大埋深約600 m，最小埋深約40 m，屬于深埋特長隧道。據地質勘察與斜井開挖觀察表明，該隧道地質狀況復雜，圍巖多為泥質板巖、鈣質板巖、砂巖類，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，分別占比54.89%和41.74%，隧道斷裂及褶皺極其發育。對隧道通過的斷裂、褶皺構造走向(N55°～60°W)分析，測得地應力方向N34°E，最大水平主應力值為24.95～27.16 MPa，最小水平主應力值14.95～16.17 MPa。根據現行的《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)，是以飽和抗壓強度與最大水平主應力的比值來衡量地應力作用強度的[9]，當比值小于2時，為高地應力地區，根據地勘資料，木寨嶺隧道泥質板巖和鈣質板巖單軸飽和抗壓強度平均值分別為8.71 MPa和24.18 MPa。據此分析，木寨嶺隧道處于高地應力狀態，極易變形。隧道某處開挖掌子面斷面見圖1。

圖1 掌子面處圍巖斷面

2 數值模擬

2.1 計算模型

本文使用Midas/GTS，分別對木寨嶺隧道的4種施工方法進行數值模擬，4種施工方法分別為全斷面法、二臺階法、三臺階法及超前導洞擴挖法。一般情況下，普遍認為巖土體材料是彈塑性體，按照彈塑性理論來研究[10]。本文用有限元軟件來模擬隧道開挖過程，圍巖及支護結構的混凝土材料均為彈塑性性質，為使模型分析得到相應簡化，圍巖材料采用Mohr-Coulomb模型，混凝土材料按照線彈性本構關系處理[11]。

根據圣維南原理，地下工程數值計算模型的范圍一般取開挖斷面(跨度)的3～5倍[12]，本文所選隧道實際斷面尺寸為7.4 m×8.3 m，是雙洞單線隧道，模擬計算時僅考慮單洞情況，不考慮另一線施工的影響，所以計算模型在x、y、z三個方向尺寸為52 m×36 m×30 m。隧道埋深約為150 m，根據自重應力計算公式q=rh=18.5×150=2 775 kPa，為了便于模擬，故模擬時沿隧道軸向的前后面上施加27.16 MPa的均布荷載，橫向的左右面上施加16.17 MPa的均布荷載，而模型圍巖上部施加2.775 MPa的均布荷載。邊界條件為：底部加垂直于該面的法向約束，圍巖四周外邊界面加垂直圍巖面法向約束，上邊界為荷載自由邊界[13]。其計算模型如圖2所示。

圖2 4種工法計算模型

2.2 材料物理力學參數的選取

根據地勘和設計資料，模型圍巖采用實體單元，初襯及二襯均使用板單元模擬，其厚度分別為0.27 m與0.45 m，鋼拱架為I20b型鋼，間距1 m，采用梁單元模擬，錨桿為φ22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.0 m，采用植入式桁架模擬，圍巖及其他材料的物理力學參數指標根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)[14]選取并結合隧道圍巖實際情況進行相應的調整，列于表1。

表1 數值模擬材料的物理力學參數

3 計算結果對比分析

3.1 隧道變形對比分析

為了方便對比，所有工法都以距隧道進洞口10 m處的隧道斷面作為計算結果提取斷面，隧道拱部和邊墻交匯點作為水平收斂結果提取點。將提取的4種工法的拱頂沉降及凈空收斂的計算結果作對比，來判斷隧道變形的程度。圖3與圖4分別為4種工法的拱頂沉降與凈空收斂的曲線。

圖3 拱頂沉降綜合曲線

圖4 凈空收斂綜合曲線

由圖3可知，全斷面法開挖拱頂沉降增長速率起初較小，開挖至第20步，即開挖至結果提取面時，由于開挖產生臨空面使圍巖土體局部卸載，洞周徑向應力突變為零，土體原地應力發生應力重分布[15]，拱頂沉降迅速增大，隨后沉降減小，在第30步，即結果提取斷面二襯封閉成環時，沉降趨于穩定，最終拱頂下沉為598.6 mm；二臺階法開挖拱頂沉降速率一直較大，第30步時，拱頂沉降趨于穩定，最終拱頂下沉為237.1 mm；三臺階開挖拱頂沉降速率先小后大，曲線有三處轉折：即第21步，對應的施工階段是上臺階開挖，沉降值為41.1 mm，占總沉降的18.3%；第31步，對應施工階段是中臺階開挖，沉降值為103.6 mm，占總沉降的46.2%；第41步，對應施工階段是下臺階開挖，沉降值為199.5 mm，占總沉降的89.0%，在第46步時，沉降趨于穩定，最終拱頂下沉為224.1 mm。由圖5可以看出，上臺階開挖和中臺階開挖占總沉降比較大，所以在開挖前注意加強上、中臺階開挖支護；超前導洞擴挖法沉降速率一直較小，最終沉降值為66.2 mm。

圖5 各步開挖沉降值對應總沉降占比

由圖4可知，全斷面法在開挖至結果提取面時收斂迅速增大，在二襯封閉成環時，收斂趨于穩定，最終收斂值為645.1 mm；二臺階開挖，收斂速率一直較大，在開挖至第27步時趨于穩定，最終的收斂值為355.4 mm；三臺階法在開挖前31步時收斂速率一直較小，隨后，收斂速率開始迅速增大，這可能與中、下臺階開挖有關，開挖至第46步時，收斂趨于穩定，最終收斂數值為338.7 mm；超前導洞擴挖法在開挖第36步時趨于穩定，最終的收斂數值為82.1 mm。

總體來看，全斷面法開挖時隧道變形最大，其次是二臺階法，三臺階法開挖時隧道變形要小于二臺階法，可能是三臺階法的開挖步驟較多，應力釋放的較多，因此變形較小，超前導洞擴挖法由于先開挖導洞釋放部分應力，所以隧道變形要小于其他施工方法。因此，超前導洞擴挖法更適用于高地應力軟巖隧道施工。

3.2 隧道應力對比分析

本文選取結果提取斷面上的10個特征點：拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底，作為結果提取點，將提取的4種工法的第一主應力P1與第三主應力P3的計算結果作對比，來判斷隧道的受力情況。圖6分別為4種工法的第一主應力P1沿斷面分布圖，4種工法的第三主應力P3的計算結果列于表2。

圖6 第一主應力計算結果(單位：MPa)

由表2和圖6可以看出，全斷面開挖時，隧道受到的應力最大，且隧道應力要遠大于其他施工方法的應力，從而說明高地應力隧道采用全斷面施工，隧道整體都會受到極大的應力；二臺階法與三臺階法開挖時隧道的受力情況類似，數值較為接近，隧道受力較為均勻，仰拱處受力要小于全斷面法，除仰拱以外其他部位的應力依然較大，但三臺階法的應力要略小于二臺階法；超前導洞擴挖法拱頂及拱肩處受力要大于仰拱的受力，但是超前導洞擴挖法的應力要小于其他施工方法，說明在開挖正洞前，先開挖導洞釋放應力，有利于高地應力隧道的施工。總體來看，超前導洞擴挖法隧道受力最小，最適合高地應力隧道開挖，其次是三臺階法與二臺階法。

表2 4種工法第三主應力P3提取結果 MPa

3.3 塑性區對比分析

本文選取結果提取斷面上的10個特征點：拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底，作為塑性區結果提取點，列于表3中。

表3 塑性區提取結果 cm

由表3可以看出，4種工法塑性區除了超前導洞擴挖法較小，其他都較大。全斷面法塑性區范圍最大；二臺階法塑性區主要分布在左右拱腰及左拱腳處，并且左拱腰的變形最大；三臺階法塑性區主要集中在仰拱處，且右仰拱拱腳處的變形較大，塑性區的范圍明顯要小于全斷面法，與二臺階法的塑性區范圍相當；超前導洞擴挖法塑性區較小，且主要集中在仰拱處，其塑性區要遠小于其他工法的塑性區。因此，單從塑性區的角度來看，超前導洞擴挖法要優于其他施工方法。

4 討論

軟弱圍巖由于巖體及其破碎，其自穩能力非常差，甚至無自穩能力，隧道在高地應力作用下極易發生大變形，常規的開挖支護方法不能有效阻止其變形的發展。在高地應力軟巖修建隧道，有時不得不選用一些特殊的開挖支護方法。

根據文獻[16]，在木寨嶺隧道里程為DYK178+010～DYK177+965布設了10個監測斷面，測得拱頂沉降平均值為230 mm，水平收斂平均值為348 mm。本文三臺階法開挖數值模擬選取參數與實測處地質參數一致，模擬拱頂沉降值為224.1 mm，相對值為2.63%，模擬水平收斂值為338.7 mm，相對值為2.75%。模擬所得變形值與實測值間相對誤差為2.63%、2.75%，模擬與實測值相差不大，表明此數值模擬能較準確反映實際情況。

在木寨嶺隧道里程為DYK187+996～DYK188+036段進行試驗，正洞擴挖采用三臺階法。測量出超前導洞擴挖時變形平均值為106.0 mm，無超前導洞時變形平均值為145.3 mm，表明在高地應力地質條件下，超前導洞擴挖法產生變形量比三臺階法要小很多[17]。

可以看出，全斷面法開挖圍巖變形太大，超前導洞法圍巖變形小，但由于工序繁雜，技術要求高，在常規圍巖中采用較少。施工時根據斷面型式、地質情況、施工經驗等選擇適宜的施工方法，把變形控制在設定的標準內。對于變形值非常大的隧道，在進行技術、經濟比較后可采用超前導洞擴挖法。

5 結論

由以上結果對比分析，可以得出以下結論。

(1)隧道硐室開挖，圍巖變形主要包括3個部分：開挖前先行變形、掌子面變形和掌子面后方變形。通過對三臺階法數值模擬結果可以看出，上、中臺階的開挖對圍巖變形影響比較大， 所以，在施工過程中應注意加強上中臺階開挖支護。

(2)通過提取塑性區結果可以看出，在隧道仰拱和拱腳位置處塑性區較大，所以，在隧道施工中應加強仰拱支護，如：在拱腳處加長鎖腳錨管、加強仰拱鋼拱架和拱腰鋼拱架的連接。

(3)通過對4種施工方法數值模擬，可以看出隧道凈空收斂值都要大于拱頂沉降值，說明在高地應力軟巖隧道施工中，圍巖水平變形要大于垂直向變形。而且通過對三臺階法數值模擬結果和實測數據進行對比分析，可以看出二者比較接近，說明此數值模擬的可行性，通過對模擬得到的圍巖受力和變形規律可以用于類似工程指導施工。

(4)從數值模擬分析看，引起圍巖變形從小到大的順序是超前導洞法、三臺階法、二臺階法、全斷面法，施工時可根據斷面型式、地質情況、施工經驗等選擇適

宜的施工方法，把變形控制在設定的標準內。對于變形值非常大的隧道，在進行技術、經濟比較后可采用超前導洞擴挖法施工。

[1] 任洋，李天斌，張廣洋，等.高地應力隧道圍巖分級BQ-hg法的研究及應用[J].地下空間與工程學報，2011，7(3)：449-456.

[2] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 任尚強.大跨度隧道洞口淺埋段工法探討及應用[J].地下空間與工程學報，2008，4(5):943-948.

[4] 鐵道部經濟規劃研究院.TZ204—2008 高速鐵路隧道工程施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[5] 周春華，尹建民，丁秀麗，等.秦嶺深埋引水隧洞地應力綜合測量及區域應力場分布規律研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(S1)：2956-2964.

[6] 郭啟良，伍法權，錢衛平，等.烏鞘嶺長大深埋隧道圍巖變形與地應力關系的研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21(12)：2113-2118.

[7] 余云燕，陳志敏，李國良，等.木寨嶺隧道三維地應力場多元回歸宏觀拓展分析[J].蘭州交通大學學報，2015，34(1)：6-11.

[8] 張德華，劉士海，任少強.基于圍巖-支護特征理論的高地應力軟巖隧道初期支護選型研究[J].土木工程學報，2015，48(1)：139-148.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 50218—2014 工程巖體分級標準[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[10] 趙佃錦.蘭渝鐵路木寨嶺隧道高地應力軟巖施工變形控制研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[11] 李學峰，杜守繼，張頂鋒.新建盾構隧道施工對近接平行隧道的影響分析[J].地下空間與工程學報，2012，8(5)：1065-1069.

[12] 夏永旭，王永東.隧道結構力學計算[M].北京：人民交通出版社，2004.

[13] 崔文艷，于志華，宋建，等.大伙房水庫不良地段圍巖變形特征與加固研究[J].東北水利水電，2011(7)：67-71.

[14] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[15] 丁文娟.采用洞樁法施工的地鐵車站導洞開挖所引起的群洞效應影響研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[16] 趙佃錦，梁慶國，魯得文，等.高地應力隧道臺階法施工過程數值模擬[J].地下空間與工程學報，2014，10(2)：441-448.

[17] 張梅，徐雙永，張民慶，等.高地應力軟巖隧道超前導洞法應力釋放試驗研究[J].現代隧道技術，2013(4)：68-76.