高地應力條件下隧道施工方法研究

王志杰，許瑞寧，袁 曄，段明明，張文龍

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

高地應力條件下隧道施工方法研究

王志杰，許瑞寧，袁 曄，段明明，張文龍

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

為探討高地應力條件下不同開挖工法引起的洞周變形及支護力學特性，以大梁隧道為依托，采用數值模擬與現場量測相結合的方法，研究了隧道在三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法3種不同工法下洞周變形及襯砌結構受力情況。研究結果表明:在高地應力條件下，可以根據掌子面巖性，靈活轉換三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法3種工法，這樣既能控制圍巖變形，保證隧道安全，又能加快施工進度，降低造價。

隧道 高地應力 施工方法 數值模擬

隨著我國西部大開發政策的進一步落實以及公路、鐵路等交通路網的完善，隧道工程延伸至高地應力且地質環境惡劣的地區已不可避免［1-7］。由于地下結構自身的特殊性，使得目前沒有任何一種理論可以完全應對高地應力復雜多變的情況。為了探明高地應力條件下不同開挖工法引起的洞周變形以及支護的力學特性，本文以大梁隧道施工為依托，采用數值模擬與現場量測相結合的方法，就高地應力條件下的開挖方法展開研究。

1 工程概況

大梁隧道位于青海省門源回族自治縣，地處祁連山，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔為4 430 m。隧道某深埋段，平均埋深為465 m，現場開挖揭示地層巖性為炭質板巖，局部夾砂巖，呈灰黑色及青灰色。受構造影響強烈，節理很發育，巖體破碎，結構面結合力差，巖層可見撓曲現象，巖質較軟，巖體整體穩定性差，為Ⅴ級圍巖。試驗段范圍內，最大水平主應力值為12.96 MPa，炭質板巖飽和強度為21.08 MPa，圍巖強度應力比 Rc/σmax=1.63，屬于極高地應力狀態。本文分別對三臺階法、三臺階七步開挖法以及三臺階臨時仰拱法進行了數值模擬分析，結合現場量測數據，通過對比分析，選擇更為安全可靠與經濟合理的施工方法。

2 模型建立和計算參數

采用有限差分軟件FLAC3D建立三維地層結構計算模型［8-10］，為了便于對比分析，在模擬隧道開挖工法時，3種方法的計算模型均采用相同的圍巖參數及邊界條件，僅施工工藝與施工步驟不同。

2.1 模型尺寸及邊界條件

根據彈性力學中接觸應力理論和應力集中現象，隧道開挖對大于隧道直徑3倍距離外的巖體影響不大。隧道埋深450 m，由于埋深較大，為節約計算資源和時間，在模型頂面施加等效荷載來模擬上覆圍巖壓力。數值模型左右兩側邊界取至隧道邊墻8R(R為開挖半徑)，下邊界至隧道底部6R，上邊界至隧道頂部6R，隧道縱向長取14R。計算模型左右兩端邊界沿X方向固定約束，底部固定 Z方向約束，頂部邊界為自由面。同時，根據實測資料，在模型左右兩端邊界施加12.96 MPa水平均布荷載和上端邊界施加8.1 MPa豎向荷載，來模擬高地應力條件。

2.2 計算參數

計算采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，用六面體單元模擬圍巖。超前支護的地層加固效果，根據文獻［11］和相關經驗，通過提高相應圍巖的物理力學參數來模擬;鋼拱架的作用效果采用彈模等效折算的方法考慮到初期支護當中。計算時將鋼筋網作為一種安全儲備，沒有考慮鋼筋網的作用效果。本次計算的地層和結構材料參數如表1所示。

3 隧道開挖數值模擬及分析［12-16］

基于由自重應力場和構造應力場的共同作用產生

的初始應力場，模擬了三臺階法、三臺階七步開挖法及三臺階臨時仰拱法3種開挖方法，并對3種工法條件下的隧道洞周位移及襯砌結構受力情況進行了分析。

表1 圍巖及支護的物理力學參數

3.1 模擬開挖工序

對于本次所模擬的3種工法，隧道施工初期支護總是滯后開挖一段時間，每次開挖步為1.6 m，計算中考慮了混凝土齡期對初期支護和二次襯砌強度的影響。3種開挖工序的模擬如圖1所示。

1)三臺階法施工工序中，上臺階長4.8 m，中臺階長19.2 m。

圖1 開挖工序示意

2)三臺階七步開挖法施工工序中，中臺階左右導坑開挖掌子面保持3.2 m進度錯距，且左導坑超前;下臺階左右導坑開挖掌子面也保持3.2 m進度錯距，且左導坑超前;上臺階核心土與中臺階左幅同時開挖;中臺階核心土與下臺階左幅同時開挖;下臺階核心土與下臺階左導坑開挖掌子面保持3.2 m進度錯距，且下臺階左導坑超前;初期支護達到設計強度80%后進行下一步開挖。

3)三臺階臨時仰拱法施工中，上臺階長12.8 m，中臺階長12.8 m，臨時仰拱與初期支護同時施作。

3.2 數值模擬結果分析

1)隧道圍巖位移場結果分析

3種工法的位移場計算結果如表2所示。

表2 各工況下位移場計算結果 m

由表2可以看出，最大沉降變形發生在拱頂處。采用三臺階臨時仰拱法，拱頂沉降值僅為三臺階法的36.2%，洞身水平收斂值僅為三臺階法的29.6%。采用三臺階七步開挖法，拱頂沉降值為三臺階法的70.7%，為三臺階臨時仰拱法的1.95倍，其洞身水平收斂值為三臺階法的35.9%，為三臺階臨時仰拱法的1.21倍。通過對數值模擬結果的數理統計，繪制了洞周位移場變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 Y=9.6 m處斷面拱頂沉降曲線

圖3 Y=9.6 m處斷面水平位移曲線

2)隧道二次襯砌應力結果分析

由于本工程位于高地應力特殊環境下，隧道施工

過程中變形較大，因此二次襯砌在此不完全作為安全儲備，與初期支護和圍巖共同形成承載環來承載圍巖壓力。

由圖4和表3可以看出:實測結果與數值模擬基本吻合，佐證了本文數值模擬計算的可靠性。針對三臺階七步開挖法，數值模擬結果與現場實測數據，在拱頂處相對誤差為 23.8%，在右拱腰處相對誤差為3.55%，在右拱腳處相對誤差為10.19%，在左墻腰處相對誤差為47.10%。

圖4 實測二次襯砌混凝土應力(三臺階七步開挖法)

表3 二次襯砌混凝土應力數值模擬與實測結果比較MPa

4 結論

通過對大梁隧道高地應力環境下幾種工法的數值模擬與實測數據分析，得出如下一些結論:

1)在高地應力條件下，由于三臺階臨時仰拱法中支護結構能及時封閉成環，在控制隧道開挖后引起的洞周位移方面有很大的優勢。

2)采用三臺階法邊墻水平收斂位移明顯大于其它兩種工法，且趨于穩定較慢，在高地應力且圍巖較差的條件下無法有效地控制洞身水平位移。采用三臺階七步開挖法，留設核心土能顯著地減小圍巖的水平位移。采用三臺階臨時仰拱法，臨時仰拱在大斷面隧道中控制水平收斂可以產生較好的效果。因此，在高地應力且巖性較差情況下，控制洞身水平位移，三臺階臨時仰拱法與三臺階七步開挖法明顯比三臺階法優越。

3)采用三臺階七步開挖法，由于預留了核心土，在控制隧道水平位移方面效果顯著，可以根據現場實時地質條件，靈活、及時地轉換工法。

4)在高地應力條件下施工的隧道，可以根據掌子面巖性，實時靈活地變換三臺階法、三臺階七步開挖法和三臺階臨時仰拱法。巖性較好時可采用三臺階法，加快進度;巖性較差時可采用三臺階七步開挖法;巖性很差時可采用三臺階臨時仰拱法。從而既能控制圍巖變形保證隧道安全，又能加快施工進度降低造價。

［1］劉高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(增 2):5521-5526.

［2］皇甫明，孔恒.核心土留設對隧道工作面穩定性的影響［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(3):521-525.

［3］黃惠芳.關于臨時仰拱形式問題的探討［J］.現代隧道技術，2003，40(6):21-23.

［4］吉小明，張選兵，白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過程的模擬研究［J］.巖土力學，2002，23(6):828-830.

［5］王偉鋒，畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選［J］.巖土力學，2007(增):430-436.

［6］徐勇，劉仲仁.鐵路雙線軟巖隧道控制大變形施工工法比選［J］.隧道建設，2010，30(2):134-136.

［7］陳志敏.高地應力軟巖隧道圍巖壓力研究和圍巖與支護結構相互作用機理分析［D］.蘭州:蘭州交通大學，2012.

［8］張友鋒，袁海平.FLAC3D在地震邊坡穩定性分析中的應用［J］.江西理工大學學報，2008，29(5):23-26.

［9］陳敏華，陳增新，張長生.FLAC在基坑開挖分析中的應用［J］.巖土工程學報，2006(增):1437-1440.

［10］閆春嶺，丁德馨.FLAC在鐵山坪隧道圍巖穩定性分析中的應用［J］.地下空間與工程學報，2006，2(3):499-502.

［11］吳成剛，何川，李訊，等.高地應力下隧道結構力學的模型試驗研究［J］.現代隧道技術，2008(增):250-255.

［12］趙瑜，李曉紅.高應力區隧道圍巖變形破壞的數值模擬及物理模擬研究［J］.巖土力學，2007(增):393-397.

［13］鄢建華.高地應力圍巖擠壓性大變形分析及數值模擬［D］.南京:南京水利科學研究院，2004.

［14］滕海文，王濤，霍豫慧，等.基于FLAC3D的沈陽地鐵隧道開挖三維穩定性分析［J］.北京工業大學學報，2009，35 (8):1074-1078.

［15］李廷春.毛羽山隧道高地應力軟巖大變形施工控制技術［J］.現代隧道技術，2011，48(2):59-66.

［16］顧問天，顧問宇，覃應華.淺埋暗挖施工中用臨時仰拱控制地表沉降有效性分析［J］.鐵道建筑，2005(11):34-36.

(責任審編 趙其文)

U455.41+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.15

2014-07-25;

:2014-12-19

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬榮人，教授，碩士。

1003-1995(2015)09-0050-03