Ⅳ級圍巖大進尺下全斷面開挖可行性研究

顏杜民，何　平，高紅杰，王　東（.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　00044；.中鐵十二局集團 第三工程有限公司，山西 太原　03004）

Ⅳ級圍巖大進尺下全斷面開挖可行性研究

顏杜民1，2，何平1，高紅杰1，王東2
（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044；2.中鐵十二局集團 第三工程有限公司，山西 太原030024）

以吉林—圖門—琿春客運專線水南隧道為研究背景，采用數值模擬和現場監測相結合的方法，對Ⅳ級圍巖大進尺下全段面開挖的可行性進行了探討。研究結果表明：同為4 m進尺，2種開挖方法引起的拱頂沉降差異不大，全斷面法引起的隧道水平收斂較兩臺階法小；施工監測數據和計算分析結果基本一致。4 m進尺全斷面開挖隧道總體變形不大，最大沉降變形為5 mm，水平收斂為2.4～6.5 mm，圍巖較穩定，表明Ⅳ級圍巖大進尺下全斷面開挖具有可行性。

Ⅳ級圍巖；數值模擬；現場監測；全斷面開挖；可行性

根據隧道所處地層的工程地質條件來初步確定相應的施工技術方案，是隧道工程的一個基本模式，業內也形成了相對成熟的圍巖級別-施工方法對應體系［1-4］。但由于Ⅳ級圍巖涉及的巖體特征跨度較大，既包括軟質巖也包括硬質巖，因此，針對Ⅳ圍巖下隧道開挖過程中選擇何種施工工法存在著一定的爭議。

孫鈞等［5］用三維邊界元法分析了上下臺階開挖、全斷面開挖時的洞身位移釋放系數與開挖方式的影響關系；王明年等［6］通過臥式試驗坑內的相似模型試驗和有限元仿真分析，對三車道公路隧道施工中常用的全斷面法、臺階法、單側壁法和雙側壁法進行了比較，并分析了圍巖的變形特點；嚴濤等［7］利用三維有限元模型對老鴨嶺隧道Ⅳ級圍巖不同開挖方法分析比較。然而，對Ⅳ級圍巖大進尺下全斷面開挖可行性研究較少，本文以吉圖琿客運專線水南隧道為研究背景，采用數值計算和現場實測相結合的研究方法，對比Ⅳ級圍巖大進尺下臺階法和全斷面開挖的變形控制效果，并通過Ⅳ級圍巖全斷面施工監測數據分析對其可行性進行探討，為類似工程提供參考。

1　工程背景

水南隧道位于圖們市長安鎮磨盤山村，隧道起訖里程為GDK286+122—GDK289+592，全長3 470 m，最大埋深約200 m。隧道按250 km/h雙線隧道設計，軌面以上建筑限界內有效面積為92 m2。據地質調繪及鉆探揭露，隧道穿越的地層主要為華力西晚期侵入巖。根據風化程度和埋深等指標劃分為Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖占10%以上，因此，選擇正確的Ⅳ級圍巖開挖方法，是影響隧道施工安全、工程費用的關鍵。

2　有限元數值計算

2.1計算模型與參數

有限元模型橫向寬度為120 m，縱向長度為60 m，圍巖級別為Ⅳ級，隧道埋深為58 m。模型左右、前后和下邊界均設為法向位移約束，上邊界自由。因隧道埋深較淺，計算時按自重應力場考慮。圍巖和初期支護中噴射混凝土襯砌以及二次混凝土襯砌均采用Solid45實體單元，初期支護的鋼拱架采用Beam188梁單元。

隧道地質條件按各向同性地層考慮，采用D-P理想彈塑性模型，結構參數均參考文獻［8］及實際工程施工報告給出。隧道支護為復合式襯砌，初期襯砌采用C25，厚度25 cm；二次襯砌采用 C30，厚度40 cm。Ⅳ級圍巖及襯砌支護物理力學參數見表1。

表1　Ⅳ級圍巖及襯砌支護物理力學參數

2.2計算步驟

本模型采用分步開挖的方法，用單元生/死來模擬初期支護的激活和隧道的開挖［9］，通過控制每步的開挖長度來模擬不同開挖進尺工況。

2.32種開挖方法下施工進尺的影響

通過控制開挖進尺的長度，模擬了4種不同的進尺工況，研究兩臺階法和全斷面法各工況下的拱頂沉降和邊墻水平收斂位移。

2.3.1拱頂沉降

圖1和圖2分別為兩臺階法和全斷面法開挖進尺不同時的拱頂沉降曲線，表2給出了2種施工方法拱頂最大沉降值。對比可知，同一進尺下2種施工方法所引起隧道同一位置處的拱頂沉降量差異不大；當進尺為4 m時，兩臺階法拱頂沉降最大值為12.62 mm，全斷面法拱頂沉降最大值為12.46 mm。因此在巖性較好的Ⅳ圍巖中，應采取圍巖擾動次數較少、隧道施工速度較快的全斷面開挖方法。

圖1　兩臺階法拱頂沉降曲線

圖2　全斷面法拱頂沉降曲線

2.3.2水平收斂

通過計算，將不同進尺下2種施工方法同一位置處的水平收斂位移制成表3。分析可知，同一進尺下全斷面法施工引起的水平收斂較小；隨著進尺的增加，兩臺階法和全斷面法造成的水平收斂值均增大，進尺4 m時，兩臺階法和全斷面法的水平收斂值分別為5.65 mm和3.79 mm。

表2　拱頂最大沉降值

表3　水平收斂位移

3　現場監測分析

3.1監測內容

監測內容為隧道水平收斂、拱頂下沉以及初支結構拱架受力。Ⅳ級圍巖監測斷面布置在里程GDK286+912。隧道埋深為56.5 m（地層條件差，位于溝谷淺埋段），2處巖性均為華力西晚期花崗閃長巖，強、弱風化層，呈灰白、淺灰色，為中～粗粒結構，塊狀構造，巖質較硬，節理裂隙發育。通過對圍巖的堅硬程度和完整性分析，結合地下水狀況、巖石彈性波縱波的傳播速度得出2處圍巖均屬于Ⅳ級圍巖（Ⅳ中等）。

隧道2處觀測斷面，原設計采用臺階法開挖，經過計算分析，采用全斷面鉆爆法開挖，開挖進尺為4 m，每天循環1次。初期支護結構，格柵拱架的主筋采用φ22的鋼筋，鋼筋網采用φ8鋼筋制成，初期支護噴射C25混凝土，厚度為30 cm；二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，混凝土控制厚度為45 cm。

隧道沉降變形和水平收斂變形測點布置見圖3。

3.2監測結果分析

GDK286+912處斷面各測點沉降值見圖4。從圖中可以看出，隨施工進程，隧道位移存在波動現象。拱頂（3號點）沉降較大，變形值5 mm；隧道右側拱腰1號和2號點的沉降值為2 mm；左側拱腰及下部由于巖體破碎，4號點的沉降值達4 mm（大于右側相同部位），5號點（隧道左側拱底）出現上移，約為3 mm。

圖3　變形測點布置

圖4　GDK286+912處斷面各測點沉降值

GDK286+912處斷面水平徑向收斂值見圖5。可以看出，隧道上部2號點到4號點之間的直線距離增加了6.5 mm，中部1號點到5號點的直線距離增加了3 mm，表明該斷面頂部破碎、壓力較大。

圖5　GDK286+912處斷面水平徑向收斂值

根據斷面的變形規律及地層條件可以得出，在河谷淺埋段（GDK286+912），由于巖體側向壓力較小，隧道變形主要表現為拱頂沉降，拱底輪廓外移。監測結果與上述數值模擬結果基本吻合，表明Ⅳ級圍巖進尺4 m全斷面開挖具有可行性。

計算值與實測值對比見表4。從表4可知，數值模擬所得到的拱頂沉降值和水平收斂值均略大于現場實測值，這是由于數值模擬可以在開挖模擬的同時進行位移監測。而實際測量過程中隧道開挖爆破結束后，不能立即進行變形監測，起始部分的沉降量未能測到，因此二者位移量是基本一致的，這也說明數值模擬能較準確地反映現場情況。

表4　GDK286+912處斷面計算值與實測值對比

4　結論

1）通過三維有限元模型對Ⅳ級圍巖下兩臺階法和全斷面法開挖進行對比分析表明，開挖進尺的長度對圍巖穩定性具有重要影響，循環進尺越大造成當前開挖步產生的拱頂沉降值和水平收斂值越大。

2）同為4 m進尺下，全斷面法和臺階法造成的拱頂沉降值差異不大，全斷面法引起的水平收斂值更小，且在施工允許的變形范圍內。表明大進尺下隧道全斷面法施工過程中圍巖是穩定的。

3）由Ⅳ級圍巖施工現場監測及分析可知，4 m進尺下全斷面開挖隧道總體變形不大，最大沉降變形為5 mm，水平收斂值為2.4～6.5 mm。圍巖較為穩定，與計算分析結果基本一致，有效地證明了Ⅳ級圍巖大進尺下全斷面開挖的可行性。

［1］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］王夢恕.隧道與地下工程技術及其發展［M］.北京：北京交通大學出版社，2004.

［3］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］王復明，劉東坤，李曉龍，等.高速公路隧道施工監控測量及穩定分析［J］.鐵道建筑，2007（4）：49-51.

［5］孫鈞，朱合華.軟弱圍巖隧洞施工性態的力學模擬與分析［J］.巖土力學，1994，15（4）：20-33.

［6］王明年，關寶樹.三車道公路隧道在不同構造應力作用下的力學行為研究［J］.巖土工程學報，1998，20（1）：51-55.

［7］嚴濤，金學松，王維嘉.老鴨嶺隧道Ⅳ級圍巖開挖方法三維數值分析比選［J］.鐵道建筑，2010（8）：66-69.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［9］章惠冬.ANSYS單元生死技術軟件在結構設計及施工中的應用［J］.建筑施工，2008（9）：824-825，833.

（責任審編趙其文）

Feasibility Research of Full Section Excavation of Tunnel in ClassⅣ Surrounding Rock with Large Footage

YAN Dumin1，2，HE Ping1，GAO Hongjie1，WANG Dong2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.The 3th Engineering Co.，Ltd.of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan Shanxi 030024，China）

T aking the Jilin-T umen-Hunchun as the research background，the full section excavation feasibility with large footage in classⅣ surrounding rock was discussed by combining the numerical simulation with the field monitoring method.T he research results showed that vault settlement has little difference by using two excavation methods with 4 m footage，tunnel horizontal convergence caused by full section excavation method was smaller than that caused by two-bench method，construction monitoring data were basically identical with the result of calculation analysis.T here was little general deformation of full section excavation tunnel with 4 m footage，the maximum settlement deformation of which was 5 mm while horizontal convergence was-2.4～6.5 mm.T he surrounding rock is stable which indicates that full section excavation method with large footage in classⅣ surrounding rock is feasible.

ClassⅣ surrounding rock；Numerical simulation；Field monitoring；Full section excavation；Feasibility

U455.41+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.16

1003-1995（2016）08-0065-04

2016-01-28；

2016-05-20

顏杜民（1973— ），男，高級工程師，碩士。