大跨度山嶺隧道開挖穩定性分析

馮玉坤

摘 要：大跨度山嶺隧道的開挖穩定性是事關公共交通安全建設的一個關鍵問題。為分析雙側壁導坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的安全穩定性，以四寨2#隧道為工程背景，采用FLAC3D研究了四寨2#隧道圍巖在不同開挖分步下應力、變形以及塑性區等的分布特征。研究結果表明：（1）隧道圍巖開挖將引起隧道頂底部圍巖最大主應力降低，導致其容易發生拉伸破壞；而兩側圍巖最大主應力則升高，易發生剪切破壞；（2）兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很小，而兩導洞之間圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大；（3）隧道開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區范圍相對較小，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現呈“蝴蝶形”分布的塑性區，該塑性區最大深度可達4-5m。

關鍵詞：大跨度；雙側壁導坑法；數值模擬；塑性區

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.118

1 引言

近年來，隨著我國交通建設的快速發展，山嶺地區修建大跨度隧道的工程實例不斷增多[1-3]。這些大跨度隧道一方面由于埋深較淺，其圍巖受地表地質構造影響明顯，風化程度大，巖性較差，在隧道開挖擾動影響下容易產生較大變形；另一方面由于跨度大，隧道斷面開挖持續時間較長，支護結構難以快速封閉成環；因此，其安全穩定性問題顯得尤為突出。

目前，大跨度隧道施工常用的開挖方法有臺階法、環形開挖預留核心土法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、CD法以及CRD法等[4-6]。為分析雙側壁導坑法施工條件下大跨度山嶺隧道的開挖穩定性，本文以四寨2#隧道為背景，通過采用FLAC3D軟件對其動態施工過程進行數值模擬分析，研究了隧道圍巖應力、變形以及塑性區在不同開挖時段下的分布特征，研究結果可為大跨度山嶺隧道的設計施工與穩定性分析提供科學依據。

2 工程概況

四寨2#隧道為新建貴廣鐵路高風險隧道，位于貴州省從江縣境內。隧道區地形復雜，屬山嶺地貌類型。隧道圍巖以強風化剝蝕巖為主，采用雙側壁導坑法進行開挖。

3 大跨度山嶺隧道數值模型建立

3.1 數值計算條件

根據實際工程情況，數值模擬分析采用的Ⅳ級圍巖力學參數為：密度2700kg/m3；彈性模量24GPa，泊松比0.16，內聚力1.9MPa，內摩擦角為23.5°，初期支護采用錨噴支護，噴射混凝土厚度為250mm，錨桿長度為5m，間距為1m；二次襯砌采用鋼筋混凝土支護，厚度為650mm。模擬時，圍巖采用實體單元，支護結構采用結構單元。

3.2 數值模擬模型

取Ⅳ圍巖段的一個隧道斷面進行開挖穩定性數值模擬研究，根據圣維南原理以及隧道內圍巖的開挖順序，建立大跨度山嶺隧道數值模擬模型如圖1所示。模型寬度和高度分別為92m和55m，總共劃分為30720個單元和46449個節點，模型邊界條件采用頂部應力邊界約束（頂部應力約為2.0MPa），四周以及底部法向約束。隧道內圍巖共分8步開挖完成（見圖1），第1步開挖左側導洞圍巖①，并進行左導洞周邊的初期支護工作；第2步開挖右側導洞②，同時進行右導洞周邊的初期支護；第3步開挖左導洞拱頂上方處的圍巖③，進行其周邊的初期支護；第4步開挖右導洞拱頂上方處的圍巖④及進行其初期支護；第5步開挖兩導洞之間隧道上斷面左側位置的圍巖⑤，進行隧道頂部左側的初期支護工作；第6步開挖兩導洞之間隧道上斷面右側位置的圍巖⑥，進行隧道頂部右側初期支護工作；第7步開挖兩導洞之間隧道中斷面圍巖⑦；第8步開挖隧道底部圍巖⑧。當隧道內圍巖開挖完成后，進行第9步工作：拆除隧道內所有初期臨時支護，進行隧道防水以及二次襯砌整體澆筑。另外，為分析隧道周邊圍巖的變形狀況，在模型隧道頂部以及右側分別布置了測線A和測線B。

4 大跨度山嶺隧道開挖穩定性分析

4.1 隧道圍巖應力分析

圖2給出了不同開挖分步下隧道周邊巖體的最大主應力分步云圖，由圖可知，不同開挖分步下，隧道圍巖的開挖都將導致隧道頂底部圍巖的最大主應力降低，而兩側圍巖最大主應力升高，且降低或升高的幅度是越靠近隧道表面越大；當隧道開挖完成后，隧道頂底部表面圍巖最大主應力約為1MPa，兩側墻底表面圍巖最大主應力則達到8MPa。這意味著，隧道頂底部圍巖將有可能在開挖過程中發生拉伸破壞，導致初支和二襯承受較大的拉力和彎矩；而隧道兩側墻底部圍巖則承受較大的壓力和剪切力，容易剪切破壞。因此，為保證隧道安全穩定，需在隧道開挖過程中加強對隧道拱頂、拱底以及兩側墻底部的支護，如加密錨桿或增加支護結構厚度。

4.2 隧道圍巖位移分析

圖3為兩測線圍巖在不同開挖分步下的位移變化曲線。可以看出，隧道分步開挖將導致測線上的圍巖位移在空間上呈指數衰減式分布，即，隨著距隧道表面距離的增大，隧道圍巖位移將逐漸減小且減小的速率逐漸降低。由各分步開挖引起的變形量上看，兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很小；而兩導洞之間圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大，尤其是第6步至第8步的開挖，其中，第6步圍巖開挖使隧道頂部和兩側圍巖向隧道內各發生了4.7mm和0.6mm的位移，第7步是5.3mm和0.8mm，第8步則是3.0mm和0.3mm。由圍巖總的變形量大小上看，隧道開挖引起的圍巖豎向位移量16.5mm要遠大于橫向位移2.5mm。因此，在隧道開挖過程中，圍巖變形穩定控制要以豎向位移控制為主，同時在開挖時間段上重視第6步至第8步的開挖影響，在必要的情況下，架設多道臨時豎向支撐或增大支護剛度以減少隧道上方的圍巖變形。

4.3 隧道圍巖塑性屈服分析

圖4給出了幾個開挖分步下隧道周邊圍巖的塑性區分布圖。由圖可知，兩側導洞的開挖將引起導洞周邊約0.5m-1.5m范圍內的圍巖發生塑性屈服，此時，圍巖塑性區面積在導洞下方分布最大。隨著兩導洞之間隧道上方巖體的開挖，兩導洞之間的圍巖全部發生塑性屈服，同時隧道上方拱頂以及兩側約45°方向開始出現約1.5m寬的塑性塑性區，隧道兩側以及底部圍巖塑性區擴展變化則相對不明顯。當隧道內圍巖全部開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區擴展不明顯，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現呈“蝴蝶形”分布的塑性區，該塑性區最大深度可達4-5m。從控制圍巖穩定方面考慮，最好對“蝴蝶形”塑性區內的圍巖進行注漿加固，同時增加此部位的錨桿數量或長度。

4.4 支護結構內力分析

當二次襯砌澆筑完成后，二次襯砌所受到的彎矩和軸力如圖5所示。從圖中可以看出，二次襯砌最大正彎矩出現在隧道頂部兩側約45°的位置，其值約為33.4kN.m；最大負彎矩出現在隧道兩側墻底與仰拱交接的位置，其值約為28.4kN.m。二次襯砌最大軸力為壓力，出現在兩側墻中間位置，約為213.0 kN；最小軸力為拉力，出現在隧道仰拱中心位置，其值約為65.1kN。從支護結構承載能力上看，二次襯砌完全能夠承受住周邊圍巖的變形和松動壓力，因此，設計是較為安全的。

5 結論

（1）隧道圍巖開挖將引起隧道頂底部圍巖最大主應力降低，導致其容易發生拉伸破壞；而兩側圍巖最大主應力則升高，易發生剪切破壞。

（2）兩導洞及其上方的圍巖開挖對隧道周邊圍巖變形影響很小；而兩導洞之間圍巖的開挖則對隧道周邊圍巖變形影響很大，需重視此階段的隧道施工。

（3）隧道開挖完成后，隧道兩側圍巖塑性區范圍相對較小，但隧道拱部和底部則會在隧道對角線方向出現呈“蝴蝶形”分布的塑性區，該塑性區最大深度可達4-5m。

（4）二次襯砌最大正彎矩和負彎矩分別出現在隧道頂部兩側約45°以及兩側墻底與仰拱交接的位置；二次襯砌最大和最小軸力則分別出現在兩側墻中間以及仰拱中心位置。

參考文獻：

[1]任國雷，蔣中貴，黃木坤.大跨度隧道側壁導坑法施工過程數值模擬[J].西部探礦工程，2005（03）：110-111.

[2]汪立新.大跨度隧道單—雙側壁導坑法施工力學分析[J].西部探礦工程，2007（10）：170-173.

[3]趙東平，王明年.大跨度隧道施工方法數值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2005，1（06）：844-847.