高地應力條件下深埋隧道開挖方式數值優選及工程應用

楊彥亮，李錫波，毛洪錄

(1.聊城市公路工程總公司第三工程處，山東聊城 252000;2.山東省交通規劃設計院，山東濟南 250031;3.山東大學土建與水利學院，山東濟南 250061)

0 引言

隨著我國交通事業的迅猛發展和國家西部大開發戰略的持續推進，復雜地形、地質條件下的深挖高填工程日趨增多，尤其是長大、深埋的隧道工程。深埋隧道中因高地應力的存在，易引起巖爆、流變、斷層軟巖擠入大變形等典型災害，為工程勘測、設計及施工帶來了嚴峻的挑戰［1］，因此亟需對高地應力條件下隧道的施工響應進行模擬、分析。因其顯著的物理非線性、結構非線性和接觸邊界非線性等幾何和力學特征，傳統數學手段遇到非常大的困難，因此現階段主要采用數值分析和模型試驗等手段對其進行研究。趙旭峰等［1］使用ANSYS軟件對深埋軟巖隧洞施工力學形態和變形時空效應進行了三維非線性黏彈性數值模擬分析，并基于與現場實測數據的對比分析得到了一些定性的認識。張志強等［2］和陶波等［3］使用FLAC對高地應力條件下軟弱圍巖隧道的變形規律進行了數值模擬分析。朱維申等［4］對高地應力條件下地下洞室開挖過程中的力學及變形規律進行了模型試驗和數值模擬分析。劉招偉等［5］針對烏鞘嶺隧道高地應力段出現的初期支護大變形問題，通過模型試驗對不同支護條件下的隧道變形和支護結構內力進行了監測、分析。

關于不同開挖方法對隧洞施工過程力學和變形響應的研究分析，現階段以數值手段為主。段慧玲等［6］對不同圍巖等級條件下大跨度隧道施工方法進行了經驗和數值比選，并給出了相應合理的開挖方法。湯勁松等［7］結合實際工程，對破碎圍巖下大跨扁平隧道的開挖和支護方式進行了數值和理論分析。然而，現有成果對下導洞超前開挖法的相關研究和經驗介紹較少，特別是對高地應力條件下隧道開挖方法如何選取、不同開挖方式的影響規律和適應條件的研究更為少見。

某隧道由于埋深較大，具有顯著的高地應力特征，原設計中深埋段采用全斷面法，但施工過程中多次出現圍巖剝落掉塊、支護結構扭曲破壞等現象，因此擬改進開挖方式。由于隧道圍巖巖性為砂巖，不適宜采用分部過多的CD法、CRD法及預留核心土環形導坑等開挖方法，經初步比選擬采用下導洞超前開挖法或上下臺階法，為論證擬采取方案的可行性，本文利用有限差分軟件FLAC3D針對高地應力條件，對不同開挖方式的隧道斷面位移場、塑性區及應力場的分布特征進行數值模擬和對比分析，并據此推薦了最優施工方法。

1 工程概況

隧道采用分幅式，全長約7 500 m，隧道最大埋深約678 m，屬特長深埋隧道。隧道屬構造剝蝕、侵蝕中低山深切溝谷地貌區，地形切割較深，溝谷斜坡地貌發育，峰頂呈渾圓狀，丘脊寬緩，山嶺穿越區地形切割較強，山間溝谷發育，溝谷峽窄。施工過程中開挖揭露圍巖發育有褶皺等小型構造，圍巖軟硬交替，且具有高地應力特點，施工中多處出現偏幫、擠壓掉快，圍巖沿錨桿層狀剝落致使支護扭曲破壞等現象，如圖1所示。

圖1 現場支護結構扭曲及擠壓掉塊Fig.1 Phenomena of support structure distortion and localized rock fall

2 隧道施工數值模擬

本文選取三維快速拉格朗日有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬計算，其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨到的優點。針對所研究內容，根據工程地質、構造特點，并結合類似數值計算經驗［8－11］選取并確定了數值計算模型。

2.1 計算模型

根據圣維南原理和相關經驗、結論可知隧道開挖影響范圍為洞徑的3～5倍，對數值模型進行了適當的模型簡化。模型計算范圍:水平方向x軸長度取120 m，豎直方向y軸取120 m，縱向z軸沿隧道軸線方向取90 m。

模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，模型上部施加邊界應力，其等效地應力由σz=γh確定(γ為上覆巖層的平均加權容重;h為上覆巖層總厚度［11］，計算取 γ =24 kN/m3，h=620 m，得 σz=14.88 MPa)，水平應力結合隧道地質資料及相關應力數據資料按垂直地應力的1.2倍取值，計算模型如圖2所示。

圖2 隧道計算模型Fig.2 Computation model of tunnel

2.2 力學參數及邊界條件

計算中屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形及大變形。圍巖材料模型采用 Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，開挖采用FLAC3D中的Null模型，復合式支護中的初期支護采用FLAC3D中的Shell結構單元。

初期支護采用10 cm厚的C20噴射混凝土，φ8鋼筋網片。對于支護中采用的錨桿(φ22砂漿錨桿，長3 m，梅花型布置，間距1.2 m)，計算過程中根據作用等效原則來考慮，即提高圍巖的黏聚力和摩擦角來替代錨桿的作用，由于摩擦角改變較小，不予考慮，錨固圍巖體的黏聚力

式中:C0為未加錨桿時圍巖的黏聚力;C為加錨桿時圍巖的黏聚力;τ為錨桿最大抗剪應力;Sm為錨桿的面積;a，b分別為錨桿的縱、橫向間距;η為經驗系數，可取2～5。

鋼拱架的作用可采用等效的方法來考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土［13］，按式(2)進行折算。

式中:E為折算后混凝土彈性模量;E0為原混凝土彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

根據該隧道工程地質、水文地質及相關地質勘測資料，圍巖物理力學參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.3 開挖方案

為模擬實際施工開挖順序，沿z軸方向以3 m長度為一個開挖循環進行模擬;采用如下開挖方案:分15步開挖，共開挖45 m(自Z=0開挖至Z=45)，下導洞超前開挖法先行開挖下導洞，而后開挖上弧部，臺階法先行開挖上臺階，而后開挖下臺階。以Z=18斷面的位移場、塑性區、應力場為研究對象，分析判斷圍巖的穩定性。

3 數值模擬結果分析

3.1 位移場分析

隧道水平收斂和拱頂下沉量測是監控量測的主要內容，也是隧道圍巖應力狀態變化的最直觀反映［14］。表2為采用不同開挖方式時隧道周邊位移的計算值，采用下導洞超前開挖法施工時，隧道拱頂下沉、水平收斂和拱肩位移(此處拱肩位移指上部4/5隧道內斷面高度處測點在xy平面內的合位移)最大，采用全斷面法時，拱頂下沉最小，采用臺階法時，水平收斂和拱肩位移最小。

表2 隧道周邊位移計算值Table 2 Calculated displacement of surrounding rock mm

巖體工程開挖變形具有很強的時空效應，隧道開挖后受開挖面的約束影響，圍巖應力逐步釋放，直到開挖面空間約束效應完全消失，圍巖應力才得以全部釋放［1，15－16］，因此采用不同的施工方式，隧道圍巖應力釋放過程不同，從而使巖體卸荷速率不同。現以水平收斂值為研究對象，分析開挖方式對卸荷速率的影響。水平收斂值隨隧道開挖的變化曲線如圖3所示。

圖3 水平收斂值變化曲線Fig.3 Variation curves of horizontal convergence

分析圖3可知:水平收斂值增大主要發生在開挖Z=12～27時，單步開挖使水平收斂值產生最大增幅的是第7開挖步，即自Z=18～21。由全斷面開挖法、下導洞超前開挖法和上下臺階法計算得:水平收斂變形速率最大值依次為:5.61，4.06，4.07 mm/d，但下導洞超前開挖法和上下臺階法因斷面錯次開挖，其同一斷面的水平收斂速率可顯著減小。由此可見，采用下導洞超前開挖法和臺階法施工時，可充分利用開挖面的約束作用，降低隧道周邊位移變形速率，保證隧道施工安全。

3.2 塑性區分析

分別采用全斷面法、下導洞超前開挖法、臺階法開挖時，塑性區分布如圖4(a)、(b)、(c)所示。分析圖4可知:采用下導洞超前開挖時，隧道施工造成圍巖的多次應力擾動，產生的塑性區范圍最大，拱腰及其上部塑性區范圍約2.7 m，拱腳處塑性區范圍約1.8 m，拱底塑性區范圍最大，約3.6 m，且拱底0.9 m范圍內曾發生拉伸破壞(下導洞開挖時發生)，不利于隧道圍巖的穩定，施工中應盡量避免;采用全斷面法和臺階法時產生的塑性區大小基本一致，但塑性區集中區域不同，采用全斷面法開挖時，塑性區主要集中在拱頂和拱底，塑性區范圍約2.7 m，采用臺階法開挖時，塑性區主要集中在拱底，塑性區范圍約3.6 m。因此，從塑性區范圍及破壞機制2方面考慮，隧道施工時應優先采用臺階法。

圖4 圍巖塑性區分布圖Fig.4 Plasticized zone of surrounding rock

3.3 應力場分析

分別采用全斷面開挖法、下導洞超前開挖法和臺階法開挖時，第一主應力分布如圖4(a)、(b)、(c)所示。分析圖4可知:采用全斷面法開挖時，應力集中主要發生在拱頂和拱底，而采用下導洞超前開挖法和臺階法開挖時，應力集中主要發生在隧道左右兩側拱腰處;分別采用上述3種方法開挖時，隧道周邊圍巖第一主應力的最大值依次為 30.007，26.805，27.128 MPa，且高應力分布范圍依次為全斷面法＞下導洞超前開挖法＞臺階法，如表3所示。

表3 第一主應力(SIG1)高應力區分布范圍Table 3 High stress area of first principal stress m

4 工程應用

根據計算分析結果，結合工程特點，最終選用上下臺階法進行隧道開挖，并現場選取YK112+750斷面對隧道開挖斷面的圍巖壓力、噴射混凝土的應力、支架的應力、位移以及水平收斂值和拱頂沉降進行了監測，測點布設如圖5所示，初期支護監測結果如圖6所示。

圖5 測點布設圖(單位:m)Fig.5 Layout of monitoring points(m)

圖6 初始支護壓力、應力分布圖Fig.6 Distribution of primary support pressure and stress

監測周期為60 d，在監測期間內隧道最終水平收斂值為25.02 mm，最大收斂速率為4.26 mm/d;拱頂最終下沉量為15.68 mm，最大下沉速率為5.20 mm/d;監測后期收斂速率小于0.2 mm/d，下沉速率小于0.1 mm/d，收斂時間曲線和拱頂下沉時間曲線均有明顯收斂趨勢。實測拱頂下沉量達計算值的93.6%，實測水平收斂值達計算值的90.0%，滿足規范穩定要求。

5 結論與建議

針對工程實際特點，應用有限差分法對高地應力條件下深埋隧道開挖時的力學和變形響應特性進行了模擬分析，模擬結果與工程監測數據吻合度較高。根據所建立數值模型，對不同開挖方式進行對比分析可知:綜合考慮隧道周邊位移值、水平收斂變化曲線、塑性區分布及高應力區分布等關鍵控制因素，上下臺階法較全斷面法和下導洞超前開挖法具有明顯的優勢，更適合于該類工程，且工程應用效果較好;同時，在處理好下導洞施工時拱底小范圍內出現的拉伸破壞的前提下，下導洞超前開挖法具有一定的可行性，但仍需進一步驗證。

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