千枚巖軟巖隧道施工工法優化分析

陸傳波

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建福州 350014)

千枚巖軟巖隧道施工工法優化分析

陸傳波

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建福州 350014)

以西部某千枚巖軟巖隧道為工程背景，采用三維有限元數值模擬研究施工工法對隧道圍巖穩定性的影響，針對不同施工工法的圍巖應力、洞周位移、初期支護受力狀況進行對比，進而提出了合理的施工工法。研究結果表明：CD法施工較上下臺階預留核心土和上下臺階法對圍巖的穩定更為有利，但其初襯和臨時豎撐的連接質量是施工能否順利進行的關鍵，應予以重點關注;上下臺階法和上下臺階預留核心土法差別不大。建議圍巖施工以上下臺階法為主，當遇到特殊地質情況需要加強襯砌，此時建議采用CD法或預留核心土法施工。

隧道工程 有限元數值模擬 軟巖隧道 施工工法 優化分析

隨著我國基礎設施建設的持續發展，隧道工程的規模、數量及其復雜性均顯著增加。在我國西部山區，以千枚巖地層為代表的典型軟巖隧道大量修建，由于該類巖體具有強度低、變形大、遇水易軟化的工程特性，在隧道修建的過程中易出現大變形、塌方等災害。因此在隧道設計施工時應有意識地選擇利于圍巖穩定的施工工法，以保障施工期間的安全。

自20世紀初首例嚴重的交通隧道軟弱圍巖大變形發生以來，國內外隧道工程軟弱圍巖發生大變形災害的事例屢見不鮮。不少學者及工程研究人員［1-5］針對施工工法進行了研究，取得了一定的研究成果。但總體而言，截至目前國內外對軟巖條件下的隧道施工工法仍然存在爭議，特別是針對穿越富水、軟巖等特殊復雜水文地質、工程地質條件下的隧道開挖過程中的施工工法。

本文采用三維有限元數值模擬手段對施工工法影響隧道圍巖的穩定性進行了分析，針對不同施工工法的圍巖應力、洞周位移、初期支護受力狀況進行了對比分析，進而提出了合理的施工工法，以供工程設計和施工參考。

1 有限元模型及數值模擬過程

1.1 工程概況

我國西部某隧道全長約1 835m，隧道最大埋深約276 m，屬越嶺型長隧道。隧道進口樁號為K4+610，設計高程為2 947.99 m;出口樁號為K6+445，設計高程為2 919.61 m。隧道洞身貫穿大灣山，隧道線型呈直線型，走向259°。設計為單洞雙向行駛車道，建筑限界按40 km/h三級公路標準設計，內輪廓凈寬10.0 m，凈高7.5 m。

據現場詳細調查及工程地質勘察成果，擬建隧道主要圍巖為三疊系上統西康群侏倭組、新都橋組千枚巖、炭質板巖、砂質板巖、變質砂巖互層及斷層破碎帶，洞口地貌如圖1所示。地下水發育，地表多處地下水出露，尤其是斷層破碎帶，地下水富集程度可能更高，進一步降低了圍巖穩定性。

圖1 隧道洞門地貌

總體而言，隧道地質條件復雜，圍巖級別較差。初步的圍巖分級統計結果顯示，該隧道圍巖級別主要為Ⅳ，Ⅴ級。其中Ⅴ級圍巖段占隧道全長47.7%，主要是進出口段以及洞身段的弱風化千枚巖夾砂質板巖、變質砂巖;而Ⅳ級圍巖主要是出口側洞段的弱風化炭質板巖及斷層破碎帶，且巖體由于受構造作用影響，次級層間破碎帶極發育，屬弱Ⅳ級圍巖。

鑒于千枚巖巖體具有強度低且遇水就軟化分解的性能，而施工工藝，尤其是施工工法的確定，對于防治隧道產生大變形、塌方等災害，保障施工期的安全起到至關重要的作用。因此，有必要采用有限元數值方法，對典型V級圍巖段的施工動態過程進行三維有限元數值模擬分析，對設計中采用的施工方法以及需要進一步論證的施工工法進行必要的對比分析，從而提出合理的施工方法以及施工中應重點關注的環節等問題，以供工程設計人員和施工人員參考。

1.2 原設計方案

原設計隧道暗挖段采用錨噴構筑法及復合式襯砌結構進行施工，緊急停車帶襯砌段采用CD法開挖，拱部設超前砂漿錨桿輔助施工。復合式襯砌段采用短臺階法施工，拱部設超前砂漿錨桿輔助施工。斷層破碎帶和地質預報及施工監測反饋出的圍巖破碎及地下水發育段，采用全斷面深孔預注漿加固止水。二次襯砌從仰拱開始順筑法施工，具體施工工法見圖2。

1.3 有限元模型及材料參數

圖2 原設計施工工法

依據以往的隧道力學經驗，為消除“邊界效應”［6-8］的影響，建模時寬度方向(即x方向)由隧道中線位置向兩側各延伸50 m，高度方向(即y方向)取拱頂以下50 m，拱頂以上取實際埋深。

在三維建模的過程中，考慮到隧道的特點，隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮，采用Druck-Prager屈服準則［9］。在三維數值計算模型中，噴射混凝土采用SHELL 63單元模擬，錨桿采用LINK 8單元模擬，鋼架采用BEAM 3單元模擬，二襯及巖土體采用SOLID 45單元模擬。其中，在三維空間模擬隧道開挖時，根據有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數變換功能進行處理。通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數來模擬隧道的超前加固、分步開挖以及初期支護、二襯的施作過程。

為了確保施工安全，保證施工進度，進一步驗證原設計方案的合理性，在綜合考慮原設計采用施工工法的基礎上，以K4+845作為計算斷面，采用上下臺階法、上下臺階預留核心土法和三臺階法對圍巖進行數值模擬對比分析計算，如圖3所示。依據施工圖設計階段工程地質勘查報告中地層參數確定材料的相關參數，如表1所示。

圖3 圍巖數值計算工法

表1 材料參數選取

1.4 數值模擬實現過程

在三維計算模型中設定縱向的中間面為研究面，即目標面。根據開挖對隧道結構影響大小的施工經驗、計算經驗和實際開挖步長，將模型分為8段開挖，第1，8段長12 m，如圖4所示。

2 圍巖數值模擬結果及分析

2.1 圍巖應力

圖4 開挖步驟的模擬(單位：m)

圍巖應力的大小對圍巖的穩定性起到至關重要的作用，限于篇幅，此處僅列舉了不同施工工法的最大主應力和最小主應力，由此可知：

1)應力分布形態相似。拉應力集中區位于拱頂和仰拱底附近，壓應力集中區位于邊墻至墻腳附近，剪應力集中區位于拱腰以及拱底靠近墻腳附近。

2)三種工法的圍巖應力量值不同。上下臺階法施工時圍巖最大拉應力為0.60 MPa，最大壓應力為9.88 MPa;上下臺階預留核心土法施工時，最大拉應力為0.41 MPa，最大壓應力為9.47 MPa;CD法施工時，最大拉應力為0.20 MPa，最大壓應力為8.33 MPa左右。

3)CD法圍巖最大拉應力最小，上下臺階預留核心土法最大拉應力其次，上下臺階法的最大拉應力最大，三者的比值為1∶2∶3;CD法圍巖的最大壓應力最小，上下臺階預留核心土法的最大壓應力其次，上下臺階法最大應力最大，三者的比值為1∶1.14∶1.19。

因此從應力分布來看，采用CD法施工較上下臺階預留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩定更為有利。

2.2 洞周位移

1)上下臺階法施工對拱頂下沉產生主要影響的施工步為上臺階的施工(即2，3步)，下臺階施工對拱頂下沉影響不大，拱頂沉降最終值為12.6 mm。上下臺階預留核心土法施工時，對拱頂下沉產生主要影響的施工步也為上臺階的施工(即2，3步)，下臺階施工對拱頂下沉影響不大，拱頂沉降最終值為12.1 mm。

CD法施工時，對拱頂沉降產生主要影響的施工步為兩側導坑的上臺階施工(即1，3步)，而右側導坑上臺階施工(即3步)對拱頂下沉影響最大，位移從4 mm左右增加到11.88 mm，該施工步產生的沉降占到了總位移量的67%。

2)就水平位移而言，上下臺階法，上下臺階預留核心土法和CD法的水平收斂值分別為11.8 mm，8.8 mm，7.9 mm，三者的比值為 1∶0.75∶0.67。

究其原因在于，相對上下臺階法，上下臺階預留核心土法使工作面前方土體處于三向應力狀態，可有效降低工作面土體的松弛范圍，抑制隧道掌子面的縱向變形，從而顯著改善隧道工作面的穩定性。同時留設核心土能顯著地減小地層的水平位移，也有抑制工作面前方地層的垂直位移的作用。而CD法由于采取了臨時支撐措施，對拱頂產生了一定的支撐作用，限制了拱頂圍巖的沉降。且CD法最大沉降發生在拱頂偏右位置處，而其他兩種工法的最大沉降均位于拱頂正中。另外由于CD法每次的開挖跨度較小，左右側導洞施工時，能及時施加邊墻初襯，對水平收斂也起到一定的控制作用。

因此從圍巖位移來看，采用CD法施工較上下臺階預留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩定更為有利。

2.3 初期支護受力

上下臺階法施工過程中，上臺階施工后初期支護最大軸力為3 480 kN，最大彎矩為20 kN·m;而下臺階施工后，初期支護最大軸力變化不大，而彎矩增加較大，最大彎矩為79 kN·m，見圖5。

圖5 上下臺階法初支最終內力

上下臺階預留核心土法施工過程中，上臺階施工后初期支護最大軸力為3 420 kN，最大彎矩為16.4 kN·m;上臺階核心土開挖后，初期支護最大軸力為3 420 kN，最大彎矩為17.2 kN·m;下臺階施工后，初期支護最大軸力變化不大，為3 350 kN，而彎矩增加較大，最大彎矩為65.6 kN·m。

CD法施工過程中，初期支護內力變化較大。整個施工過程中，初襯的最大軸力出現在施工完成后，為4 380 kN，而初襯的彎矩最大值出現在右側導坑下臺階施工后，為465 kN·m，施工完成后降為229 kN·m。臨時豎撐受力在右側導坑上臺階施工后最為不利，最大軸力達到了4 710 kN，并在與初襯的連接位置出現了692 kN的拉力，此時，臨時豎撐的彎矩為455 kN·m。從初襯最終受力的分布情況看，其在與臨時豎撐連接的位置受力最不利，彎矩值是其他位置的4倍左右。因此，對CD法而言，施工過程中連接位置出現了較大的拉力，初襯和臨時豎撐的連接質量是施工能否順利進行的關鍵，應予以重點關注。

2.4 圍巖施工工法的選擇

由以上計算結果的比較分析可知，CD法施工較上下臺階法和上下臺階預留核心土法對圍巖穩定性更為有利。采用分塊開挖加臨時豎撐的方式能更好地控制圍巖變形，減少圍巖應力集中，抑制圍巖惡化。但從初期支護受力上看，CD法初襯受力較上下臺階法和上下臺階預留核心土法大很多，同時對施工質量的要求也較高，工序繁瑣，施工進度慢。雖然臺階法施工的洞周位移比CD法大，但也在可接受的范圍之內，是可以保證施工安全的。另外，就上下臺階法和上下臺階預留核心土法而言，兩種工法對圍巖的應力、圍巖的位移，以及初期支護的受力均差別不大。

因此，圍巖施工工法建議以上下臺階法為主，當遇到特殊地質情況需要加強襯砌，如埋深較淺段，或遇見設計斷面擴大段，如緊急停車帶等，此時建議采用CD法或預留核心土法施工。

3 結論及建議

通過對數值模擬結果的分析不難得出以下結論：

1)從應力分布、洞周位移以及初支受力來看，采用CD法施工較上下臺階預留核心土法和上下臺階法對圍巖的穩定更為有利。

2)從初襯最終受力的分布情況看，其在與臨時豎撐連接的位置受力最不利，彎矩值是其他位置的4倍左右，因此對CD法而言，初襯和臨時豎撐的連接質量是施工能否順利進行的關鍵，應予以重點關注。

3)就上下臺階法和上下臺階預留核心土法而言，兩種工法對圍巖的應力、圍巖的位移，以及初期支護的受力均差別不大。

4)建議圍巖施工工法以上下臺階法為主，當遇到特殊地質情況需要加強襯砌，如埋深較淺段，或遇見設計斷面擴大段，如緊急停車帶等，此時建議采用CD法或預留核心土法施工。

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U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．06．16

1003-1995(2013)06-0053-04

2012-12-25;

2013-02-12

陸傳波(1973— )，男，貴州興義人，高級工程師。

(責任審編 趙其文)