深埋高地應力下隧道開挖方式對比研究

廖保林

(西南交通大學，四川 成都 610031)

隨著我國交通建設的迅速發展，線路網愈發密集，中西部地區的鐵路不可避免需要穿越高山，隧道需要克服高地應力的問題[1]。在隧道建設過程中，需考慮經濟性和支護結構穩定性，比選不同的開挖方式[2～3]。故需研究采用不同施工方式下隧道的變形和塑性區情況，以此評估深埋高地應力下隧道施工更優的開挖方式。

1 工程概況

西南地區某擬建的高速鐵路工程，前期地勘報告揭示隧址區圍巖巖性主要為泥巖，屬軟質巖類，最大埋深為150 m，屬于深埋隧道。據前期勘察隧道深孔地應力測試結果，水平最大主應力SH為4.4 MPa，水平最小主應力Sh為3.3 MPa，垂直應力Sv為5.5 MPa。試驗表明，泥巖單軸飽和抗壓強度為4～5 MPa。最大主應力方向與線路走向小角度相交。本工程將比選全斷面開挖、臺階法開挖、CRD法開挖3種方式，以此選擇隧道合適的施工方式。

2 建立模型

本文采用有限差分軟件Flac3d進行數值模擬，由于本工程埋深大，不便將模型從地面處建立，此處取模型高100 m，將地應力通過面力的方式施加在模型邊界上，確定模型尺寸為100 m×100 m×50 m。其中初期支護采用shell單元，圍巖、二襯采用實體單元。CD法、CRD法開挖順序如圖1所示。

圖1 數值模型開挖順序

3 圍巖及支護參數

初期支護為C30混凝土，二次襯砌為C40混凝土，隧址區所在的泥巖物理參數使用地勘報告給出的參數，具體物理參數見表1。

表 1 圍巖和支護物理力學參數

4 數值計算結果分析

不同的開挖方式對圍巖產生的影響程度不同，結構的內力也會有所差別，后續通過分析圍巖變形以及初期支護結構內力情況來評價開挖順序的合理性，位移分析基于對模型Y=30 m斷面處監測。

4.1 豎向位移分析

對開挖后的隧道拱頂、仰拱處變形進行分析，可以體現隧道開挖對圍巖的影響。不同開挖方式下開挖過程中豎向位移變形曲線見圖 2。

圖2 不同開挖方式豎向位移對比

圖 2中縱坐標為豎向位移，橫坐標為開挖掌子面離監測斷面距離，其中0 m處即為監測斷面。由圖2可知，3種施工方法導致的圍巖變形豎向位移均符合“S”型曲線。全斷面法施工的變形量明顯大于另外2種開挖方式；采用CRD法施工，拱頂和仰拱的變形量均最小，且在施工過程中能更好的控制圍巖的變形情況，在臨時支撐拆除后，圍巖會有個較小的突變，因此拆除臨時支撐時因規范操作，盡量減小變形，CRD方法施工下拱頂最終沉降為29.60 mm；仰拱最終隆起為27.92 mm。

4.2 水平位移分析

圖 3給出了施工過程中圍巖水平收斂的變化情況，由圖可知，變化過程可分為3個階段，階段一緩慢增加；階段二迅速增加，當掌子面到達監測斷面時，水平收斂有一個突變的過程；階段三趨于穩定階段。對比不同施工方式可知，CRD法能有效解決收斂突變的情況，整體變化過程趨于平緩，且水平收斂值最小，施工完成時，水平收斂值為3.71 mm。

圖3 不同開挖方式水平位移對比

4.3 塑性區分析

隨著隧道的施工，圍巖可能發生剪切、拉伸破壞，產生塑性區，塑性區大小也是衡量隧道施工穩定性的關鍵指標之一，不同開挖方式下，施工完成時，塑性區情況見表2。

圖4～圖6給出了3種施工方式下的塑性區，由圖可知：塑性區主要出現在仰拱和左右邊墻處，CRD法施工一定程度上可以減小仰拱底部和邊墻處的塑性區。

圖4 CD法塑性區

由表2可知，隧道圍巖破壞的方式主要為剪切破壞，局部部位發生拉伸破壞，在高應力作用下，巖體發生了剪切破壞。對比不同施工，CRD法施工產生的塑性區面積最小，可以更有效控制塑性區發展，減少圍巖擾動，有利于隧道穩定。

圖5 CRD法塑性區

圖6 全斷面法塑性區

表2 塑性區比較

4 結論

本文通過數值模擬分析不同開挖方式對深埋高地應力隧道的影響成都，可以得出結論：

(1)深埋高地應力下隧道開挖，圍巖產生的變形量相對更大，破壞形式以剪切破壞為主，應對支護結構適當加強。

(2)不同開挖方式下，對圍巖的擾動程度為全斷面法>CD法>CRD法，CRD法施工下圍巖變形更平緩。

(3)通過比較圍巖變形和塑性區大小，本工程推薦采用CRD法施工。