軟弱圍巖隧道施工力學特性研究

黃正凱

(中鐵十一局集團第四工程有限公司，武漢 100855)

1 概述

隨著國家經濟發展步入高速發展階段，廣大中西部地區對高等級道路需求日趨旺盛[1-2]。由于西部地區山嶺眾多，且高等級公路對其線性平順性要求較高，導致公路橋隧比逐年提高[3-4]。地下隧道工程面臨眾多挑戰，主要包括以下幾點：較高的工程造價、較為復雜工程地質條件、較大的施工難度[5-6]。實際工程中為了應對復雜多變的地質條件，超前支護和預加固處理的方式也隨之被引入，超前管棚預支護技術近年來不斷發展，該技術已經成為目前常用超前支護技術之一[7]。目前隧道施工方法中常用的有全斷面法、臺階法以及CRD法共3種方法。全斷面法是一次性開挖成型的施工方法，能有效的減少開挖對圍巖的擾動，盡早地對襯砌形成封閉，保護圍巖的完整性，但是全斷面法開挖對圍巖要求較高，多以硬質圍巖為主，適用于小斷面尺寸的隧道開挖。臺階法開挖相對于全斷面法開挖增加了工作面，各工作面間獨立作業互不干擾，其施工進度加快，由于每一次開挖面積較小所以利于掌子面穩定，但臺階開挖相互影響，增加了對圍巖的擾動。CRD法由于中隔壁和臨時支撐的加入并在開挖后及時閉合各個分塊，在開挖過程中減少了對圍巖的擾動，這有利于控制拱頂下沉和圍巖變形。CRD法施工適用于對地表沉降要求嚴格，圍巖條件極差的地質環境(如：粘性土、砂層及砂卵層等)，但CRD法施工也面臨眾多缺點，如施工速度緩慢、施工成本較高等。

朱寶合等[8]利用數值模擬軟件，根據正習高速公路桃子埡隧道施工及設計的情況，模擬了臺階法開挖施工、全斷面法開挖施工、交叉中隔壁法開挖施工和中隔壁法開挖施工等4種不同開挖施工方法，并對隧道圍巖穩定性的影響因素進行分析;李茂良等[9]利用數值模擬的方法，研究了不同開挖方法對淺埋隧道層狀圍巖的影響，并分析其力學特征及性質；熊鵬、李曉紅等[10-11]通過對隧道現場測量監測數據的結合，運用數值分析的方法對層狀巖體的破壞特征進行分析，查明了巖體層理垂直方向是隧道圍巖變形破壞區存在的地方，總結出地形產生的偏壓影響、地層結構特征對層狀巖體中洞室變形破壞特征有相關影響。李盼[12]結合超大斷面的扁平結構隧道，運用數值模擬軟件邁達斯和GTS對臺階法開挖、雙側壁導坑法開挖以及二者相互結合方式進行了模擬，獲得了圍巖受力和位移分布規律及特點，總結出超大斷面扁平結構隧道最宜施工方法是雙側壁與臺階法相結合的方法。張延新等[13]運用三位快速拉格朗日法研究了施工各步驟中圍巖及支護結構的應力和位移分布規律及圍巖塑性區的分布狀況和破壞機理，通過對地鐵隧道拱頂下沉回歸分析及數值模擬驗證分析結果，分析了不同地層條件下拱頂下沉與地表沉降的關系，解釋了由于現場監測滯后以及地層中富水含細砂導致拱頂下沉與較大的地表沉降。

本文結合重慶某公路隧道工程，采用ABAQUS數值分析軟件,建立該隧道二維數值模型并對3種施工方法(全斷面法、臺階法以及CRD法)施工過程對圍巖的位移場、應力場變化及管棚與錨桿支護的位移場、應力場變化進行模擬分析，最終總結不同開挖方式對圍巖影響規律和管棚與錨桿支護措施對整個支護體系和圍巖體系的影響規律。

2 工程概況

本研究依托工程為重慶某公路隧道，該隧道起點至終點樁號為K52+141～K53+341，總長度為1 200 m，起點高程為 100 m，終點高程為118 m，縱坡為1.5%，最大埋深約為20 m，設計車速為50 km/h。圍巖節理發育，存在斷層破碎帶，且地下水豐富。隧道斷面凈寬為6.8 m，凈高為5.9 m，襯砌厚為0.3 m，錨桿長為3.1 m。本文以K0+500～K0+510段為主要模擬對象，該處隧道埋深為5.9 m。根據前期工程地質勘探資料和設計資料可知，該隧道此處圍巖以中風化黑色碳質泥巖為主，圍巖較為破碎，屬于軟弱圍巖土層，隧道圍巖等級為Ⅴ級圍巖。結合現場圍巖特征，運用數值分析軟件ABAQUS進行在全斷面法、臺階法和CRD法共3種工況下施工，分析各工況下開挖對地面沉降、拱頂變形的影響。

3 數值模擬

由于該隧道路線較長，本文根據典型地質條件較差地段K52+600～K52+610段為地質條件進行處理。隧道埋深取5.9 m。截面尺寸及開挖方法如圖1所示。斷面凈寬為6.8 m，凈高為5.9 m，襯砌厚為0.3 m，錨桿長為3.1 m，呈梅花形布置。數值模擬中隧道圍巖參數及其支護參數見表1所示。錨桿使用梁單元建立，接觸為嵌入接觸。襯砌與巖體、管棚與襯砌及管棚與巖體均為綁定約束(tie約束)。鋼筋網片在初期支護中作為安全考慮，可忽略不計。

表1 圍巖及支護參數取值

圖1 隧道截面尺寸及開挖模示意

本文對隧道不同施工方法(全斷面法開挖施工、臺階法開挖施工、交叉中隔壁法開挖施工)，進行數值模擬計算，深入分析了不同的隧道開挖方法和錨桿及管棚等支護措施對其圍巖穩定性的影響。

4 分析計算結果

4.1 對不同開挖方式下地面處豎直方向位移分析

采用全斷面法開挖、臺階法開挖、CRD法開發開挖施工對地面豎直方向沉降影響模擬結果如圖2所示。可以得出3種開挖方式均造成了地面豎直方向沉降，向下沉降量從隧道頂端向上地面投影處向四周逐漸遞減，隧道頂端向地面投影處向下沉降量最大。從結果中可知隧道開挖中全斷面法開挖造成的地面沉降最大，交叉中隔壁法(CRD法)開挖造成的地面沉降最小。全斷面法開挖地面下沉量為0.015 4 m，臺階法開挖地面下沉量為0.015 4 m，CRD法開挖地面下沉量最小為0.013 5 m。CRD法開挖比全斷面開挖小7.4%，即0.001 m。所以，將3種開挖方法對地面沉降造成的影響相對比，其沉降趨勢、范圍和大小均差別不大，但選用CRD法開挖對地面沉降造成影響最小。

圖2 地表沉降數據示意

4.2 對不同開挖方式下隧道圍巖位移分析

采用全斷面法開挖、臺階法開挖、CRD法開發開挖施工對隧道圍巖豎直方向位移影響模擬結果如圖3所示。通過分析可知，隧道拱頂圍巖向豎直向下變形由以上3種開挖方式均能造成，同時隧道拱底圍巖向上變形也均能造成，距離襯砌邊緣由近至遠變形逐漸減小，變形分布沿隧道中軸線對呈對稱分布。3種開挖方式中全斷面法開挖造成拱頂處圍巖向豎直下變形，拱底處圍巖向豎直上的變形最大；CRD法開挖造成拱頂圍巖向下變形，拱底圍巖向上變形最小。隧道拱頂圍巖向下變形，全斷面法開挖位移為0.021 3 m；CRD法開挖位移為0.019 3 m，比全斷面開挖小10.4%,即0.002 m。隧道拱底圍巖向上變形，全斷面法開挖位移為0.022 4 m；CRD法開挖位移為0.021 2 m，比全斷面開挖小5.7%,即0.001 2 m。所以，將3種開挖方法對圍巖數值方向造成的位移相對比，其位移趨勢、范圍和大小均差別不大，不管采取什么方式開挖均會造成拱頂下稱拱底上凸，但是選用CRD法開挖對圍巖的擾動最小。

a 全斷面開挖

4.3 對不同開挖方式下隧道圍巖豎直方向應力分析

采用全斷面法開挖、臺階法開挖、CRD法開發開挖施工對隧道圍巖豎直方向應力影響模擬結果如圖4所示。通過分析可知，3種開挖方式中豎直方向應力分布基本一致，拱頂、拱底以及地表出現了拉應力。由于土體抗拉強度小，抗壓強度大，導致地表土體產生破壞和向下的位移。由圖4可見，管棚施工措施有效的承擔了大部分應力，減小了由于開挖導致的圍巖破壞，對上部圍巖松動甚至垮塌起到了強力而有效的抑制，管棚處及其周邊圍巖最終達到了加固目的。3種開挖方式中全斷面法開挖造成圍巖水豎直應力最大；CRD法開挖造成圍巖水豎直應力最小。所以，增加管棚并使用CRD法開挖對圍巖的擾動能降到最小。

a 全斷面開挖

4.4 對管棚和錨桿支護進行應力和位移分析

隧道施工中管棚和錨桿支護的應力模擬結果如圖5所示。錨桿均受拉力，且拉力分布為；靠近襯砌處拉力大，隨著離襯砌距離逐漸增大其拉力逐漸減小。相應的，錨桿變形隨著離襯砌距離增大而減小，且隧道上部的錨桿所受拉力，明顯大于隧道下部的錨桿拉力。所以，錨桿支護能有效地提高整個支護體系的強度，并且錨桿的特點是其抗拉強度高，運用這一特點能使其克服巖土體較低的抗拉強度的不足。此外，管棚也均受拉力，中部變形最大，兩側變形逐漸減小，由此可見隧道的大部分圍巖松動帶來的變形壓力由管棚所承擔。所以，通過數值模擬和分析可知抑制拱頂圍巖的變形和地面的沉降可以對管棚進行增加，這樣能能夠達到有效的抑制作用。

圖5 管棚和錨桿支護應力及位移示意

5 結語

本文依托重慶某軟弱破碎圍巖條件下的公路隧道開挖工程,運用ABAQUS數值模擬軟件，對全斷面法、臺階法以及CRD法共3種不同開挖條件情況進行數值模擬。

1) 3種開挖方式下圍巖應力和位移分布一致，但CRD法相比其他兩種數值較小。

2) 3種開挖方式造成的相對位移量關系：全斷面法開挖>臺階法開挖>CRD法開挖，但位移量總體相差不大。綜合減少圍巖擾動及位移控制，CRD法開挖相對更適合于圍巖破碎、裂隙發育的地質情況。

3) 在工程施工中，根據圍巖情況合理增加管棚和錨桿支護能夠有效提高整個支護體系和圍巖體系強度，并且能有有效減小隧道圍巖變形。