公路隧道超欠挖對圍巖及支護結構穩定性的影響研究

摘要：為確保崇愛高速公路觀音山隧道施工安全，文章基于Plaxis 3D有限元數值模擬方法，通過對比不同超欠挖位置、深度、角度的八種超欠挖工況，模擬研究了觀音山隧道施工過程中存在的圍巖超欠挖及其對支護結構和圍巖穩定性的影響，探究了超欠挖狀態下隧道圍巖變形規律及結構應力變化規律。結果表明：拱頂位置的超欠挖對隧道沉降最小值的影響較大，在拱腳處超欠挖對隧道沉降最大值的影響較大；圍巖超欠挖對拱頂部位欠挖的影響大于超挖，而在拱腳處超挖的影響要大于欠挖；拱腳處的圍巖超欠挖影響大于拱頂?？偟膩碚f，隧道超欠挖會對圍巖穩定性造成一定程度的影響，但在深度與范圍可控的前提下影響是有限的。

關鍵詞：公路隧道；圍巖超欠挖；超欠挖影響系數；數值模型

中圖分類號：U456.3

0 引言

隨著西部高速公路建設的大力發展，在高速公路建設中，巖質山隧道開挖的超欠挖現象是普遍存在的。在施工中出現圍巖超欠挖現象會造成隧道圍巖的位移增大和局部應力集中等危害，導致施工成本上升，在一定程度上影響隧道整體穩定性［1］。因此，開展公路隧道超欠挖對圍巖及支護結構穩定性影響研究對公路安全建設具有重要作用。

近年來，針對圍巖超欠挖問題，已有學者進行了相關研究，并取得了豐碩的成果。在超欠挖產生的原因方面，鐘放平［2］指出鉆孔深度及鉆孔設備、圍巖類別、鉆眼精度、預留尺寸、施工管理、爆破控制、施工操作是影響超欠挖的重要因素。在此基礎上，余科、王良國［3-4］進一步對圍巖超欠挖原因進行了細化。對于超欠挖預測主要采用了分形理論、小波分析、模糊集理論和人工神經網絡等方法展開研究，如Mohammadi M等［5］基于回歸分析和模糊集理論，預測了隧道圍巖的超欠挖程度，得到的預測結果優于數據統計方法。關于隧道超欠挖對圍巖及支護結構穩定性的影響，部分學者采用理論解析方法與數值模擬法進行了研究。解析法主要應用于截面為圓形或者橢圓形的隧道，一般采用彈性力學或彈塑性力學分析，如朱大勇等［6］基于復變函數法，通過計算得出了復雜形狀隧道圍巖的位移與應力，從而得到彈性力學的解析逼近解。解析法的優點主要是分析速度快、成本低，但仍然存在一定的局限性，比如地質構造方面存在的斷層、裂隙和節理等構造以及巖體的各向異性、本構關系的非線性等特性難以在理論計算中得到考慮。而數值模擬法不僅可以解決上述的各向異性、非線性等問題，還可以模擬不同支護方案和開挖方式等因素對圍巖穩定的影響，如謝飛鴻等［7］通過對曼木樹隧道的數值模擬研究，得到了不同工況時圍巖超挖在不同埋深下的力學響應。耿曉杰等［8］基于工程實測數據與數值模擬方法，研究了襯砌管片跨度對隧道圍巖質量的影響，得出了圍巖質量多因素修正指標與超挖比呈線性相關，隨圍巖質量多因素修正指標的提高，超挖比將降低的結論。

本文依托廣西崇左—愛店高速路觀音山隧道圍巖超欠挖段，采用Plaxis 3D軟件對隧道進行了圍巖超欠挖模擬，研究了不同超欠挖深度及范圍時圍巖的沉降規律及隧道結構應力的變化規律，為觀音山隧道施工安全提供了基礎數據。

1 工程背景

1.1 工程概況

水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）觀音山隧道位于崇左市寧明縣東南方向約15 km，大致呈東北—西南走向，兩洞平均長4 805 m，屬特長隧道，采用分離式+小凈距隧道方案，進出口形式均為端墻式。隧道軸線通過路段地面標高為193～541 m，相對高差約348 m，頂板上覆最大厚度約為300 m，地形坡度為15°～60°。隧道設計為單洞單向雙車道，采用三心圓的拱形斷面，開挖尺寸凈寬為12.80 m、凈高10.15 m。該隧道入口處縱斷面如圖1所示。

1.2 地層巖性

觀音山隧道區的地層覆蓋層為第四系殘坡積之黏土，下伏基巖為白堊系下統新隆之砂巖泥巖和侏羅系上統砂巖夾泥巖、泥巖。根據巖石風化程度，白堊系下統新隆可分為：全風化砂巖泥巖互層②1；強風化砂巖泥巖互層②2；中風化砂巖泥巖互層②3；微風化砂巖泥巖互層②4。侏羅系上統（J3）可分為：強風化砂巖夾泥巖③1；中風化砂巖夾泥巖③2；微風化砂巖夾泥巖③3；微風化泥巖④1。

1.3 超欠挖問題

觀音山隧道和亭亮隧道均采用鉆爆法開挖，現場施工技術調查發現，在開挖過程中常有超欠挖產生，尤其是在采用鉆爆法開挖的隧道中此類現象最為嚴重。觀音山隧道多為Ⅳ級圍巖，大斷面隧道采用爆破法開挖具有圍巖強度低、雷管段別高、裝藥量大的特點，爆后容易出現斷面輪廓控制不足，存在超挖嚴重的難題。超欠挖會改變圍巖應力狀態，造成應力集中，改變塑性區分布。而且超欠挖會導致圍巖輪廓界線變得極不規則，使噴射混凝土層厚度不均勻，致使支護結構的幾何形態發生變異，進而影響支護結構的承載能力。因此，研究圍巖超欠挖及其對支護結構和圍巖穩定的影響對該隧道安全施工具有重要意義。

2 數值建模

2.1 參數選取

根據現場勘察報告，Ⅴ級圍巖區段的隧道埋深分布在10～250 m，Ⅳ級圍巖區段隧道埋深分布在10～350 m，在構建數值計算模型時，選取最不利荷載情況確定圍巖為強風化頁巖，土體本構模型選用霍克布朗本構模型，材料參數的選取見表 其中σci為單軸抗壓強度；mi為完整巖石材料常數；GSI為地質強度指數；D為擾動因子，取決于巖體施工受擾動程度。

2.2 模型的建立

隧道開挖采用預留核心土法，隧道斷面見圖2。數值建模和模擬過程采用Plaxis 3D軟件實現，模型大小為90 m×50 m×70 m，模型側面邊界設置法向約束，底部邊界設置固定約束。

隧道初期支護采用錨桿+噴射混凝土支護，噴射混凝土厚度為30 cm，采用板單元模擬，其彈性模量為23×106 kN/m，泊松比為0.2。錨桿采用4.0 m長的中空錨桿，布置范圍至兩側拱腳位置一共26根，外插角5°～15°，采用軟件中的embedded樁單元進行模擬。隧道開挖步驟見圖3。

應用上述模型進行超欠挖計算，分別計算無超欠挖正常狀態下與實際工程中出現的拱腳與拱頂處超欠挖深度30 mm、60 mm，范圍30°、60°條件下等工況時變形和應力情況，計算結果參數主要包括土體位移變形與結構應力情況。

3 結果與分析

3.1 土體位移分析

如圖4所示為無超欠挖情況時開挖A、B、C、D部分土體位移云圖，其中豎向位移最大值出現在仰拱底部，為17.17 mm，位移最小值出現在拱頂為23.37 mm；由于實際工程中未在掌子面設置反推力及支護結構，因此掌子面位移呈現向外滑動的趨勢，最大值為-16.42 mm。

為便于描述，如下頁表2所示列出了無超欠挖及該隧道出現的8種超欠挖工況編號。

如圖5所示為不同工況下土體沉降值與無超欠挖時的對比結果。由圖5可知，在拱頂位置時的超挖或者欠挖對隧道沉降最大值（即土體向上隆起）的影響較小，幾乎與無超欠挖情況一致，而在拱腳處超欠挖對沉降最大值的影響較為明顯，影響最明顯的工況為拱腳處超欠挖深度60 mm范圍60°，此時土體沉降位移值達到24.55 mm，沉降最大值出現在仰拱處；相反的，在拱頂位置超挖或者欠挖時對隧道沉降最小值的影響較大，沉降最小值為-18.55 mm，此時沉降最小值位置出現在拱頂部位。

為量化超欠挖影響研究，參考文獻［9］將隧道沉降位移超欠挖影響系數fa定義為：

fa=（超欠挖工況下沉降-無超欠挖時沉降）／無超欠挖時沉降（1）

同理應力超欠挖影響系數fb定義為：

fb=（超欠挖工況下最大應力-無超欠挖時最大應力）／無超欠挖時最大應力（2）

式中，分子部分為|超欠挖工況下最大沉降-無超欠挖時最大沉降|與|超欠挖工況下最小沉降-無超欠挖時最小沉降|兩者相比較大的值。

通過圍巖超欠挖影響系數可分析不同工況時圍巖超欠挖對隧道的整體影響程度，結果見圖6。由圖6可知，拱頂部位的圍巖超欠挖對圍巖的影響整體上略大于拱腳部位，且隨著超欠挖深度與角度的增大，對圍巖的影響程度也呈現增加趨勢。在拱頂部位欠挖的影響大于超挖，而在拱腳處超挖的影響要大于欠挖。綜合來看，幾種工況中超欠挖影響系數最高為0.065，表明隧道超欠挖會對圍巖穩定性造成一定程度的影響，但在深度與范圍可控的前提下影響還是有限的［10］。

3.2 結構內力分析

為探究不同的超欠挖工況對襯砌應力的影響，繪制不同工況時襯砌結構中最大軸力、剪力、彎矩變化情況，如圖7所示。圖7（a）中超挖情況下的襯砌軸力普遍大于無超欠挖時的標準值，且底角超挖比拱頂超挖時襯砌軸力略大，最大軸力出現在拱腳位置深度60 mm范圍30°的工況，為677.7 kN/m；欠挖情況下襯砌軸力小于無超欠挖時的標準值，拱頂欠挖時襯砌軸力的改變量遠小于拱腳處欠挖情況，且隨著欠挖深度與范圍的增加各工況最大軸力的值與標準值的數值差也隨之增大。圖7（b）描述了不同工況下襯砌剪力的改變，其中標準工況下剪力最大值為433 kN/m，由圖7（b）可知底角超欠挖時剪力的改變相較于拱頂超欠挖更為明顯，且隧道底角超欠挖最大剪力值均小于標準工況下的值。在剪力云圖中，襯砌最大剪力出現的位置也均為靠近隧道拱腳處，因此底角處超欠挖對隧道剪力的影響相較于拱頂普遍偏大。圖7（c）為不同工況下襯砌最大彎矩變化情況，圖7（c）彎矩的變化與圖7（a）里軸力的趨勢相似，因此不再復述。

根據式（2）中確定應力超欠挖影響系數fb，為區分軸力、剪力、彎矩，分別設軸力、剪力、彎矩的超欠挖影響系數為fb1、fb2、fb3，結果如圖8所示。由圖8可知，隧道底角的應力超欠挖影響系數均大于拱頂，軸力超欠挖影響系數在超挖工況下最大為0.13 在欠挖工況下最大值為0.295；剪力超欠挖影響系數在超挖工況下最大值為0.197，在欠挖工況下最大值為0.203；彎矩超欠挖影響系數在超挖工況下最大值為0.149，在欠挖工況下最大值為0.141。綜合來看，圍巖超欠挖對襯砌結構應力的影響主要體現在軸力上，剪力次之，彎矩最小。

4 結語

本文基于Plaxis 3D軟件，對水口—崇左—愛店公路觀音山隧道進行了圍巖超欠挖數值模擬分析，分別模擬了不同深度和角度的超欠挖對圍巖變形及結構應力的影響，有效地指導了施工，并得到以下結論：

（1）通過對8種不同位置、深度、角度的超欠挖工況模擬得到土體位移沉降最大值為24.55 mm，沉降最小值為-18.55 mm，沉降最大值出現在仰拱處，沉降最小值位置出現在拱頂部位，在拱頂位置的超欠挖對隧道沉降最小值的影響較大，在底角處超欠挖對隧道沉降最大值的影響較大?？傮w上，各工況均滿足設計中的8 cm預留變形量的要求。

（2）超挖情況下的軸力普遍大于無超欠挖標準工況的軸力值，而欠挖情況下的軸力普遍小于標準工況的軸力值，且超欠挖深度與范圍越大，最大軸力值與標準值的數值差就越大。底角超欠挖時剪力的改變相較于拱頂超欠挖更為明顯，且隧道底角超欠挖最大剪力均小于標準工況下的數值。

（3）沉降位移超欠挖影響系數fa與應力超欠挖影響系數fb能有效反映圍巖超欠挖對隧道整體的影響程度。拱頂部位欠挖的影響大于超挖，而在底腳處超挖的影響要大于欠挖，底角處的圍巖超欠挖影響大于拱頂。

（4）沉降位移超欠挖影響系數最大值為0.065，應力超欠挖影響系數最大值為0.295，表明隧道超欠挖會對圍巖穩定性造成一定程度的影響，但在深度與范圍可控的前提下影響是有限的。

參考文獻

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［7］謝飛鴻，余朝陽，董建輝，等.基于數值模擬的隧道超挖圍巖力學響應分析［J］.公路，202 66（7）：332-337.

［8］耿曉杰，吳順川，高永濤，等.基于多因素評價的隧道圍巖質量與超欠挖關系［J］.巖土力學，2014，35（11）：3 240-3 246.

［9］朱 林.超欠挖狀態下隧道支護結構力學特性研究及圍巖穩定性分析［D］.濟南：山東大學，2018.

［10］馬云峰.超挖對地下洞室圍巖穩定性及支護結構內力影響研究［D］.西安：西安理工大學，2009.

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：韋景麒（1991—），工程師，主要從事隧道工程和巖土檢測工作。