基于遍布節理模型的超大斷面隧道開挖優化研究

黃金花　朱孟龍

摘要：為優化節理發育巖體條件下超大斷面隧道開挖方法，文章以天峨至北海公路（巴馬至平果段）山貢隧道為工程依托，通過引入遍布節理模型開展隧道開挖過程數值分析，并建立0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m共6種中隔壁法循環開挖進尺數值模擬工況，從圍巖變形及塑性區分布的角度分析循環開挖進尺對圍巖穩定性的影響。結果表明，當循環開挖進尺>2 m時，進尺的增加會導致圍巖穩定性快速降低，據此確定了山貢隧道交叉中隔壁法開挖的最優循環開挖進尺為2 m。

關鍵詞：隧道;超大斷面;遍布節理模型;數值模擬;開挖優化

中國分類號：U455.4

0引言

隨著科技水平的發展以及隧道建設行業數十年的積累，我國已成為世界上公路隧道規模最大、數量最多、發展速度最快的國家[1]。隨著人民的出行需求進一步提高，公路隧道建設的斷面也越來越大，大斷面乃至超大斷面的公路隧道工程大量涌現[2]。同時，伴隨著我國對地下空間的深入開發，超大斷面公路隧道的修建數量仍將長期處于上升趨勢[3]。

隨著工程數量的增加，我國在超大斷面公路隧道修建技術上也積累了一定的經驗。目前，大斷面公路隧道的開挖方法主要有臺階法、中隔壁法、雙側壁導坑法等。為適應不同的施工條件，大量學者通過不同的方式對傳統開挖方法的改進與優化開展了研究。宋曙光等[4]對超大斷面隧道臺階法施工過程的力學效應開展研究，對臺階法開挖的臺階高度進行了優化;張俊儒等[5]在巖石三軸壓縮試驗的基礎上，提出主動支護的鋼架巖墻組合支撐法并通過數值模擬對其進行了優化;夏才初等[6]基于現場監控量測結果對大斷面小凈距隧道的支護系統變形與受力特征進行分析，提出了支護體系的優化方案;謝東武[7]通過對特大斷面大跨隧道的圍巖和支護結構的力學特征進行了深入分析，得出了核心巖柱的最優寬度。除此之外，還有大量學者基于不同的工程背景對超大斷面隧道的開挖工法進行了優化研究[8-12]。

從上述研究的開展可以看出，當前針對超大斷面隧道施工大多從圍巖破碎狀態、隧道埋深范圍出發對開挖方法及支護結構進行優化，極少考慮隧道圍巖的節理裂隙發育程度，而巖體的穩定狀態是受結構面控制的，未考慮結構面狀態的工法優化分析結果顯然是缺乏合理性的。因此，本文以實際工程為依托，采用數值模擬技術并引入遍布節理模型以表征巖體的節理、裂隙發育狀態，對超大斷面隧道開挖方法進行優化，為工程現場的安全、快速施工提供保障。

1工程概況

擬建天峨至北海公路（巴馬至平果段）山貢隧道位于馬山縣永州鎮山貢屯東南側約 0.6 km 處，為越嶺隧道。隧道區屬構造剝蝕丘陵地貌，山體連綿，地形起伏較大，地形地貌主要受地層巖性及地質構造控制。隧道平均埋深約為60 m，屬淺埋隧道，圍巖以薄層狀強風化泥質粉砂巖為主，局部夾砂巖，巖石節理、裂隙發育，巖體多呈破碎狀，圍巖級別以Ⅴ級為主。山貢隧道最大開挖跨徑為18.44 m，最大開挖面積為187.19 m 2，屬超大斷面隧道。隧道開挖斷面如圖1所示。

2工法優化路徑

目前隧道施工中常用的基本開挖方法有全斷面法、臺階法、CD法、雙側壁導坑法等。其中臺階法根據臺階數量、是否預留核心土等因素又衍生出多種開挖方法;CD法根據是否做橫隔板又分為中隔壁法與交叉中隔壁法等。各種開挖方法的適用條件不同，且各有其優缺點（見表1）。

根據山貢隧道淺埋、大斷面的特點，初步選定三臺階七步法、交叉中隔壁法、雙側壁導坑法三種開挖方法，如圖2所示。通過數值模擬進行開挖過程分析以確定最合理開挖方法，并在確定開挖方法后，對開挖進尺進行優化。優化方案及工況設置如圖3所示。

3數值計算模型

3.1數值模型

本文以圍巖破碎、節理發育的ZK77+280 ～ ZK77+360區段作為研究對象，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型，模型高度為100 m，根據隧道埋深，隧道上部巖體高60 m，不考慮邊界影響;考慮到隧道開挖的邊界效應，模型寬度取7倍洞徑，共120 m，以隧道中軸線劃分，左右各60 m，縱向長度80 m，模型整體尺寸為100 m×120 m×80 m（高×寬×縱深），如圖4所示。邊界條件采用速度邊界，上邊界設置為自由邊界，下邊界為固定邊界，約束其在X、Y、Z三個方向的速度為0，其余邊界均約束其法向速度為0。在模型中設置4個監測點，分別位于拱頂、左右拱腰、仰拱處，用于監測拱頂沉降、拱腰收斂、仰拱隆起變形。監測斷面設置在ZK77+320，即Y=40處。

為對比不同開挖方式對隧道施工的影響，分別建立了三臺階七步法、交叉中隔壁法、雙側壁導坑法三種開挖工況，如圖5所示。隧道圍巖采用實體單元zone模擬，初期支護、臨時支護均采用shell單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。

3.2本構模型及圍巖力學參數

為反映山貢隧道節理、裂隙發育的圍巖狀態，采用遍布節理（Ubiquitous-Joint Model）本構模型。關于遍布節理模型的理論基礎，以往的研究已作了充分的說明[13-15]，此處不再贅述。應用遍布節理本構模型時需輸入節理參數，包括節理傾向、傾角、粘聚力、摩擦角等。根據地勘報告，研究區段內主要為第三組節理發育，其傾向為Jdip=17、Jdd=42，節理粘聚力Jc按文獻[16]的方法，取完整巖體的1%，節理摩擦角取完整巖體的摩擦角。初期支護取鋼拱架折算之后的參數，模擬過程不施作二襯，具體參數取值見表2～4。

4結果分析

4.1開挖方法

對工況1、工況2、工況3運行計算，提取模型Y=40 m處的地表沉降數據，繪制地表沉降與隧道中軸線距離的關系曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，三種工況條件下隧道開挖所引起的地表沉降特征一致，地表沉降值隨著與中軸線距離的減小而增加，在隧道中軸線附近達到峰值。對比三種工況的最終地表沉降值，工況1最大，為33.7 mm，工況2最小，為25.8 mm，工況3居中，為30.7 mm。

塑性區是判斷圍巖穩定性的重要因素，本文分別對三個工況模型Y=40 m斷面進行切片處理，得到的塑性區分布如圖7所示。可以看出，三種工況條件下圍巖塑性區均從隧道洞室向周邊擴展，呈現出一致性。但在斷面塑性區面積上，顯然是工況2最小，這也和提取得到的地表沉降結果相吻合。

切片觀察能較為直觀地看到特定斷面的圍巖塑性區分布情況，方便對目標斷面展開分析，而隧道開挖過程中圍巖的整體塑性區分布對圍巖及支護結構有著至關重要的影響。因此，為獲取三維巖體的塑性區發育狀態，通過在FLAC3D軟件中用fish語言編程實現三維巖體模型塑性區體積的自動計算，計算得到工況1、工況2、工況3在隧道開挖貫通后的塑性區體積分別為154 417.6 m 3、49 470.0 m 3、81 913.9 m 3，由此可以判斷，采用工況2（即交叉中隔壁法）開挖不僅有利于控制地表沉降，更有利于圍巖的整體穩定性。

4.2循環開挖進尺

在工況2開挖方法的基礎上，通過設置不同循環開挖進尺以研究山貢隧道合理的循環開挖進尺。分別設置循環開挖進尺為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m共六個工況，工況序號為4～9。循環開挖模型如圖8所示。

圍巖變形是反映隧道施工穩定性的最主要因素，通過切片處理得到各工況條件下，監測斷面Y=40 m處的變形云圖，如圖9所示。

從圍巖變形云圖中可以看出，工況4～9條件下圍巖最終變形呈現出一致性，其變形最大值均處于拱頂處。由于中隔壁的存在，拱頂中軸線位置處位移較小，中隔壁起到了良好的控制變形作用。同樣的，臨時橫撐也有效減小了圍巖的水平收斂變形。為定量分析循環開挖進尺對圍巖變形的影響，提取斷面監測結果并匯總，見表5。

通常來說，隧道開挖引起的圍巖變形應隨著循環開挖進尺的增加而增加，表5中的數據也呈現出此趨勢。在工況9（即循環開挖進尺3.0 m）條件下，監測斷面的拱頂下沉、拱腰收斂、仰拱隆起值均為最大，分別為37.0 mm、20.6 mm、22.5 mm，說明較小的循環開挖進尺更有利于控制圍巖變形與支護結構的穩定。然而，由于隧道施工工期條件與經濟性因素的制約，往往需要在施工進度與施工安全之間找到較好的平衡點，而不能一味地縮短開挖進尺以最大限度地保證圍巖的穩定性。

為了更直觀地展現循環開挖進尺對圍巖變形的影響，以隧道開挖輪廓線為基準，根據提取得到的拱頂下沉、拱腰收斂、仰拱隆起變形結果，繪制不同循環開挖進尺條件下的圍巖變形圖。由于循環開挖進尺對圍巖變形的影響值相對隧道輪廓較小，繪制時人為地將變形結果放大50倍以便于研究分析，如圖10所示。

圖10為表5數據的直觀展示，同樣可以看出，隨著循環開挖進尺的增加，圍巖變形也隨之增加。循環開挖進尺對拱頂沉降變形的影響較大，對周邊收斂的影響相對較小。當循環開挖進尺≤1.5 m時，進尺的改變對圍巖變形影響較小;而在循環進尺>2.0 m后，開挖進尺的增加對圍巖變形的影響顯著增大。

由上述分析可知，當循環開挖進尺>2 m后，圍巖的穩定性會顯著下降，因此，利用上文編寫的fish語言分別計算工況4～9隧道開挖完成后圍巖的塑性區體積，以進一步說明循環開挖對圍巖穩定性的影響。各工況塑性區體積計算結果如表6所示，根據計算結果繪制折線圖，如圖11所示。

表6中塑性區體積隨循環開挖進尺增加而增加，與開挖進尺對圍巖變形的影響一致，這也說明圍巖變形的增加與圍巖穩定性的降低相對應。圖11中，工況4～7分別對應循環開挖進尺0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，循環開挖進尺的增加對模型塑性區體積的影響較小，循環開挖進尺每增加0.5 m，塑性區體積的增加比率分別為8.3%、10.7%、14.8%;當循環開挖進尺>2 m（工況8、工況9）后，循環開挖進尺的增加對模型塑性區體積的影響顯著，循環開挖進尺每增加0.5 m，塑性區體積的增加比率分別為25.5%、29.1%，循環開挖進尺的增加對圍巖整體的穩定性有明顯的影響。因此，考慮到施工進度及圍巖穩定性兩方面的影響，山貢隧道采用2 m的循環開挖進尺施工最為合理。

5結語

本文依托天峨至北海公路（巴馬至平果段）山貢隧道開展超大斷面隧道開挖優化研究，通過引入遍布節理模型開展隧道開挖過程數值分析，對山貢隧道的開挖方法、循環開挖進尺進行優化研究，主要得到了以下結論：

（1）通過引入遍布節理本構模型建立了節理巖體隧道開挖數值模型，合理確定了傾向、傾角、粘聚力、摩擦角等節理參數，有效提高了節理巖體隧道開挖數值模擬的準確性。

（2）基于山貢隧道設計資料，分別建立三臺階七步法、雙側壁導坑法、交叉中隔壁法三種隧道開挖數值模型，計算分析不同開挖方法所引起的地表沉降及塑性區分布，確定采用交叉中隔壁法開挖支護更有利于圍巖穩定。

（3）模擬多種工況，從圍巖變形及塑性區分布的角度分析循環開挖進尺對圍巖穩定性的影響。結果表明，當循環開挖進尺>2 m時，進尺的增加導致圍巖穩定性快速降低，并據此確定了山貢隧道交叉中隔壁法開挖的最優循環開挖進尺為2 m。

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