超前導洞不同擴建方案對隧道穩定性的影響研究

劉小鵬

(山西交通建設監理咨詢集團有限公司 太原市 030000)

0 引言

多數隧道由于年代已經久遠，設計標準與通行能力遠達不到現在標準[1]，另外，基于環保要求，國家要求盡可能減少植被破壞。國內外學者考慮空間運用合理性，常常采用擴建方式進行建設，以減小對環境的影響[2]。喬宏[3]結合隧道拆除及擴挖，分析數據得出安全可靠的施工方法。梁文輝[4]采取礦山法對土質隧道進行擴建，得出相關土質隧道擴挖工藝。張勃蓬[5]據黃土隧道實例，選擇不同擴建方案，確定出最優解。許明堂等[6]研究不同擴建工藝對圍巖位移的影響，得出單側擴建優于雙側。實際圍巖情況不同，需根據不同情況采取不同施工方法，如全斷面開挖、臺階開挖等。若圍巖為III-V級，可采用全斷面法或者兩臺階法，V級圍巖則需要更加精細的施工工藝，例如三臺階七步開挖法，CD法、CRD法等[7]。

不同初始地應力下，不同擴建方法可能會使建成后的隧道圍巖應力存在差異，從而影響隧道穩定性。以超前導洞擴建成單洞公路隧道為背景，運用軟件FLAC3D建立全斷面擴建與兩臺階擴挖模型，在超前導洞擴建成隧道后對圍巖水平位移、豎向位移與塑性區范圍進行分析，運用相關判定規則確定不同擴建方法的隧道穩定性。

1 項目概況

以超前導洞擴建成隧道為背景，隧道埋深約為40m。隧道圍巖由片巖以及灰巖組成，巖土體完整性較好，風化程度為中風化，在開挖過程中可能導致隧道穩定性越來越差，在擴建施工過程中應該對位移與應力等必測與選測項目進行動態控制，積極調整施工工藝確保隧道施工穩定性，據相關工程資料顯示擴建區域圍巖為IV級。在超前導洞擴建過程中可采取不同擴建工藝示意圖如圖1。

圖1 超前導洞不同擴建方案

2 模型與工況參數

初支為厚度30cm的C25噴射混凝土，將初期支護其他材料進行統一計算如式(1)進行求解化簡，由于只考慮施工階段，不對二襯進行分析，通過不設置二次襯砌實現施工階段的嚴格把控，在施工過程中應該將圍巖與初期支護視為一個共同承擔圍巖應力釋放的結構。

(1)

式中：E為總彈性模量(GPa)；Ec為原混凝土彈性模量(GPa)；Eg為鋼材彈性模量(GPa)；Sg為鋼拱架等橫截面面積(m2)；Sc為混凝土橫截面面積(m2)。

將某圓形導洞視為超前導洞，其半徑為2m，建立長90m寬90m×2m數值模型，采用理想彈塑性本構進行模擬，上部邊界自由，左右前后與下部均取法向約束，將錨桿注漿等填充與加固措施視為一定范圍加固圈，加固圈采用實體進行模擬，初支采取殼單元進行模擬，隧道與支護物理力學參數取值如表1。

表1 隧道與支護物理力學參取值

3 隧道穩定性分析

隧道監測點為拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱。由于隧道結構對稱分布，取半邊進行分析即可。位移與塑性區能直觀表現出隧道實際狀態，在數值模擬中相對于其余指標能夠直觀表達出來，因此研究不同擴建方案對隧道穩定性的影響主要從三方面入手(水平位移、豎向位移與塑性區)。位移表現為水平擠入、頂部沉降與底部隆起，若位移過大會侵入建筑輪廓；塑性區主要就塑性變形占據主導，是易發生破壞的區域。可利用相應指標對三者進行評價，判定隧道是否處于穩定狀態。

通過眾多學者研究及實際工程反映得出隧道開挖可以運用不同的施工方案，達到的效果也有所差異。基于超前導洞擴建，利用全斷面擴建與兩臺階擴建方案對隧道穩定性差異進行研究。

3.1 不同擴建方案的隧道水平位移分析

通過數值模擬實現超前導洞全斷面擴建與兩臺階擴建，得出拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱等五個部位的水平位移云圖，研究超前導洞不同方案擴建的水平位移差異，模擬結果如圖2。

圖2 不同擴建方案的隧道圍巖水平位移(單位：mm)

分析不同擴建方案的圍巖水平位移，得出：

(1)超前導洞經過不同擴建方案形成的隧道水平位移均呈現向內部擠入的趨勢，水平位移表現為向內部收斂，不同擴建方案的隧道位移較大的位置均分布于拱肩與拱腰范圍內。

(2)分析水平位移云圖及對應部位數值結果，全斷面擴建方案的最大水平位移約為1.0mm，兩臺階擴建方案的最大水平位移約為0.8mm。兩臺階擴建方案最大水平位移小于全斷面擴建，從水平位移角度分析得出兩臺階擴建方案優于全斷面擴建，側面說明性質較差的巖體不適用于全斷面開挖。

(3)從水平位移數值結果分析看出兩臺階優于全斷面，是由于兩臺階擴建將隧道斷面分為兩部分開工，在上半部分擴建穩定后再繼續施工下半部，其圍巖水平位移變化程度小于全斷面擴建。

3.2 不同擴建方案的隧道豎向位移分析

將拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱等五個部位的豎向位移值提取出來進行研究，如表2所示，探究超前導洞經過不同方案擴建成隧道的豎向位移是否存在著差異性，模擬數值結果云圖如圖3。

表2 隧道圍巖豎向位移 mm

圖3 不同擴建方案的隧道圍巖豎向位移(單位：mm)

由表2與圖3數據分析不同擴建方案的隧道圍巖豎向位移得出：

(1)由圖3圍巖豎向位移云圖可知，拱頂表現為沉降位移，拱底表現為隆起位移，隧道上部分向下擠入，下半部分向上隆起，沉降最大位移值均位于拱頂，隆起最大位移值均位于拱底。

(2)超前導洞經過不同擴建方案，隧道呈現出不同的位移變化規律，對比全斷面擴建與兩臺階法擴建，全斷面擴建的隧道各部位圍巖豎向位移明顯大于兩臺階法擴建，全斷面擴建拱頂豎向位移為4.0mm，較之臺階法擴建增加1.5mm；全斷面擴建拱底豎向位移為5.4mm，較之兩臺階增大1.0mm。

(3)通過相關數據分析不同擴建方案差異性，從豎向位移角度可以看出兩臺階擴建法更具有優點，擴建完成后隧道圍巖位移變化更小，施工安全性較高。兩臺階分成上下部分施工，邊施工邊進行初期支護的施作，防止圍巖變形過大；全斷面擴建雖一次性形成斷面，對圍巖也不形成多次擾動，但不進行分部施工，支護不及時易導致位移變大。

3.3 不同擴建方案的隧道塑性區分析

數值模擬相對實際工程，可以較為直接觀察到隧道經過不同方案擴建之后的圍巖塑性區，超前導洞經全斷面與兩臺階擴建后的隧道圍巖體塑性區呈現出不同的分布規律，圍巖塑性區如圖4所示。

圖4 隧道圍巖塑性區分布規律

由圖4對不同擴建方案的隧道圍巖塑性區進行分析：

(1)超前導洞經不同擴建方案形成隧道，圍巖塑性區存在一定差異性，全斷面擴建的塑性區范圍稍小于兩臺階擴建。不同擴建方案的底部、拱腳處塑性區范圍無明顯差異，明顯差異出現于拱頂、拱肩與拱腰部位，兩臺階擴建的塑性區范圍明顯大于全斷面擴建；拱腳處塑性區受剪切作用，拱腳破壞形式為剪切破壞，因此施工過程中應盡快封閉成環以提高抗剪能力。

(2)兩臺階擴建的塑性區范圍大于全斷面擴建，這是因為圍巖受到多次擾動的原因。全斷面一次成形對圍巖僅一次擾動；而兩臺階段分部開挖，對隧道存在兩次擾動，隧道塑性區難免有所增大，所以隧道上部分塑性區范圍大于全斷面擴建方案。

(3)塑性區范圍越大并不能說明隧道穩定性越差，新奧法中復合式襯砌設計將圍巖與支護視為受力整體，只要圍巖塑性區范圍不超過允許極限值，塑性區可充分發展并積極發揮自身承載能力，減小支護結構受力。利用相應隧道塑性區判據評價兩種擴建方案的優劣性，若兩者塑性區范圍均在安全值內，那么兩臺階擴建方案的襯砌受力越小，對隧道穩定性越好。

3.4 利用相應判據評判隧道穩定性

塑性區范圍為塑性區域厚度，小于隧道洞直徑20%為安全值，隧道高度為9.5m，塑性區安全范圍1.9m；隧道埋深約為40m，按規范線性插值取0.26%，求出隧道允許位移為25mm。圖5為不同擴建的塑性區范圍判據。

圖5 隧道塑性區范圍安全判據

結合3.1、3.2與3.3節相關結論，利用相應判據對不同擴建方案的隧道穩定性作出評價：

(1)不同擴建方案的隧道水平位移與豎向位移均小于25mm，從位移角度分析得出隧道處于穩定狀態，兩臺階擴建方案更優。

(2)從圖5可以看出兩臺階擴建方案各部位塑性區范圍稍大于全斷面擴建方案，兩種擴建方案的拱腳處塑性區范圍均超過安全值1.9m，分別為2.5m與2.4m，說明隧道拱腳位置處可能存在局部失穩的風險，應該在施工過程中加強支護措施。

(3)通過水平位移、豎向位移以及塑性區判據對相應擴建方案的隧道穩定性做出了評價，僅從塑性區判據得出拱腳部位在施工過程中存在局部失去穩定的風險，位移評價指標顯示隧道穩定性較好，但對比而言兩臺階擴建方案更優。

4 結語

運用了FLAC3D軟件對超前導洞擴建成隧道進行分析，探究經不同擴建方案施工后隧道穩定性的差異，得出隧道何處易失穩以及何種擴建方案更優，得到下列結論：

(1)從水平位移、豎向位移與塑性區范圍三方面總結分析得出兩臺階擴建方案優于全斷面擴建。兩臺階擴建方案的整體水平位移與豎向位移更小，雖塑性區范圍更大，但發揮了圍巖部分自承能力，減小支護結構受力且有利于隧道耐久性。

(2)不同擴建方案的水平豎向位移均小于極限位移值；但兩種擴建方案的拱腳處塑性區范圍均大于安全值，可能發生局部失穩的風險，隧道掘進過程中應關注拱腳處圍巖穩定性，盡快封閉成環。

(3)超前導洞擴建成隧道應采取臺階法進行擴建，若圍巖性質更差可采取三臺階分部等擴建方案，其更加有利于支護結構的受力特性；進行合理支護結構設計與施工讓隧道安全儲備越高，運營期間的耐久性能越好。