基于三維數值模擬的軟巖超大斷面隧道施工技術優化研究

朱衛東

(中鐵十六局集團第五工程有限公司， 河北 唐山 064000)

基于三維數值模擬的軟巖超大斷面隧道施工技術優化研究

朱衛東

(中鐵十六局集團第五工程有限公司， 河北 唐山 064000)

為研究超大斷面隧道在軟巖地層中開挖施工引起的變形情況，基于鐵路設計規范和圍巖分級標準對王崗山隧道穿越巖層進行圍巖亞分級，通過考慮開挖方向、復雜圍巖條件及斷層破碎帶的影響，利用ABAQUS有限元軟件開展三維施工過程模擬，獲得三臺階法開挖后的隧道襯砌及圍巖受力及變形特征。在此基礎上，提出采用更適宜控制變形的雙側壁導坑開挖法，并對其控制效果進行驗證。最后，分析影響隧道襯砌和圍巖變形的相關因素，得到利于控制變形過大問題的最優進尺設置參數及初期/臨時支護形式。數值計算結果表明： 1)雙側壁導坑法能夠有效降低隧道開挖引起的襯砌及圍巖變形； 2)錨桿在復雜地層中能夠發揮重要作用； 3)循環進尺和初期支護強度均對施工引起的變形存在影響，使用新型復合管片臨時支護有利于控制隧道襯砌及圍巖變形； 4)斷層破碎帶是王崗山隧道施工必須重視的關鍵部位，除采用合理的開挖工法外，還應輔以其他降低圍巖擾動進而控制開挖變形的有效措施。

王崗山隧道； 超大斷面隧道； 圍巖亞分級； 三臺階法； 雙側壁導坑法； 三維數值模擬

0 引言

超大斷面隧道工程的設計和施工均具有較大難度[1-2]。在軟弱破碎地層區段，隧道的施工需要重視軟巖大變形侵限、局部塌方和大規模涌水等危險[3-5]。隧道施工中圍巖和支護體系變形處于動態變化中，不同的施工工法和支護體系圍巖變形差異較大，軟弱破碎地層中超大斷面開挖圍巖變形控制技術是當前鐵路修建中急需解決的問題[6-8]。施工工法一般可決定處于軟弱破碎地帶隧道能否快速安全施工。大斷面隧道軟弱地層施工常采用三臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法，同時結合其他輔助工法，以達到控制圍巖變形的目的[9-10]。一般情況下，軟弱破碎圍巖通常采用錨網噴、錨索、錨桿等聯合支護形式，必要時采取超前小導管注漿加固[11-13]。由于模擬軟弱地層大斷面隧道開挖的過程復雜，采用試驗方法研究其在復雜地質條件下的圍巖變形難度較大，前人已基于數值分析對隧道開挖模擬進行了相關研究。文獻[14-19]考慮了施工順序、支撐形式和支撐間距等因素在隧道開挖過程中對圍巖變形的影響。但上述研究成果不具備全面適用性，本文基于王崗山軟弱破碎地層扁坦超大斷面隧道探討三臺階法和雙側壁導坑法快速施工過程中的圍巖變形，通過ABAQUS有限元軟件開展三維開挖模擬，比較雙側壁導坑法(見圖1)和三臺階法(見圖2)在控制圍巖和隧道襯砌變形時的差異，提出最優的循環進尺參數及初期/臨時支護形式。

圖1雙側壁導坑法示意圖(單位： m)

Fig. 1 Sketch diagram of double-side drift method (unit: m)

圖2三臺階法示意圖(單位： m)

Fig. 2 Sketch of three-bench method (unit: m)

1 工程概況

1.1概述

王崗山位于墨江縣城東面，哀牢山脈南西側。隧道進口位于水葵河右岸，里程為DK144+500；隧道出口位于他郎河左岸，里程為DK158+008。該隧道為雙線隧道，全長1萬3 508 m。隧道洞身區地面高程為1 100～1 750 m，最大開挖跨度為18.76 m，高12.84 m，截面面積約為191 m2。隧道斷面大，圍巖差，地質條件復雜，屬于構造剝蝕中低山地貌，山坡多呈凸形坡，大部分地段基巖暴露。隧道測區構造極為發育，節理裂隙發育，地下水富水性強。隧道所處受構造影響的圍巖以砂巖、泥巖、礫巖、頁巖為主，其間夾有灰巖、煤線侵入巖體，整體巖質軟。隧道測區位于哀牢山褶皺帶，區內由一系列北西—北北西向的褶皺、斷裂組成，主要為哀牢山構造帶、墨江構造帶和普洱構造帶，受斷層影響的不良地質主要有滑坡、巖溶、有害氣體、高地應力、放射性和順層偏壓等，整體工程地質差。王崗山隧道屬于超大斷面隧道,施工風險高、難度大。王崗山隧道縱斷面示意圖如圖3所示，部分施工圖片如圖4所示。

圖3 隧道縱斷面示意圖

王崗山隧道入口80 m處位于軟弱泥巖中。采用三臺階法開挖施工時，隧道出現變形過大且局部侵入限界的問題。隧道上方土體由于沉降變形出現了大范圍裂縫，且采取臨時豎向支撐等方法后，仍難以控制變形。隧道上方土體變形裂縫如圖5所示(黃色旗子位置)。必須根據實際情況進行工法變更、優化施工參數和支護形式，以確保施工安全，并排除運營后可能發生的安全隱患。

(a) 開挖面

(b) 現場作業

(c) 豎向臨時支撐

(d) 襯砌鋼筋網

圖4隧道施工圖片

Fig. 4 Pictures of tunnel construction

(a) 裂縫分布情況1

(b) 裂縫分布情況2

圖5隧道上方土體變形裂縫

Fig. 5 Deformation cracks of soil above tunnel

1.2水文地質概況

2 圍巖分級及亞分級

2.1原設計圍巖分級概況

根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》圍巖分級方法，原設計文件的圍巖分級步驟如下： 1)根據巖石的單軸飽和抗壓強度Rc確定巖石的堅硬程度； 2)根據巖體的結構面特征確定圍巖的完整程度； 3)根據圍巖的堅硬程度和完整程度初步對圍巖進行分級； 4)在初步分級的基礎上，考慮地下水狀態、初始地應力狀態等因素進行修正。原設計圍巖分級如表1所示。

表1 原設計圍巖分級表

2.2圍巖亞分級結果

圍巖分級是評價隧道圍巖穩定性的重要參數，決定了隧道工程的設計和施工方案。分級的正確與否直接影響著隧道施工和運營安全。我國鐵路行業隧道圍巖分級標準是多參數分級法，著重引入結構面、斷層、巖性、巖體結構等因素，并考慮地應力、地下水、隧道埋深等影響。因為該分級標準仍然是經驗性的分級，實際應用中還有一定的困難。此外，根據原設計圍巖分級選取的施工方案在實際施工過程中引起的隧道變形過大，因此對該工程的圍巖采取較詳細的定性分析并進行圍巖亞分級是十分必要的。分級結果可作為修改工程設計文件和施工方法的理論參考。

基于TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》、TB 10012—2007《鐵路工程地質勘察規范》、GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》和JTG D70—2004 《公路隧道設計規范》等相關規范，將該隧道Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖分為2個亞級。圍巖基本質量指標修正值

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

式中： BQ為圍巖基本質量指標；K1為地下水影響修正系數；K2為主要軟弱結構面產狀影響修正系數；K3為初始地應力狀態影響修正系數。

根據本工程的地質勘察資料： Ⅲ級圍巖的Rc為55 MPa，Kv為0.5，K1、K2、K3分別取0.25、0.19、1.5；Ⅳ級圍巖的Rc為45 MPa，Kv為0.34，K1、K2、K3分別取0.2、0.2、0.5。基于修正后的[BQ]，對圍巖進行亞分級后的結果如表2所示。

表2 圍巖亞分級表

3 施工過程模擬

3.1模型介紹

為研究開挖過程中不同圍巖范圍內隧道結構的變形及受力情況，基于圍巖亞分級結果，充分考慮表2Ⅳ1—Ⅴ2級圍巖存在的影響，采用ABAQUS軟件對施工過程進行模擬。根據原設計方案，王崗山隧道基于圍巖分級選用了全斷面開挖、臺階法及三臺階法3種不同的施工工法。其中，最有利于控制隧道變形的為三臺階法，本文首先針對三臺階法模擬隧道開挖(見圖6)，具體過程如下：

1)地應力平衡；

2)注漿、打錨桿、開挖上臺階進行初期支護、開挖中臺階進行初期支護、開挖下臺階進行初期支護、施工至規范要求的距離后施作二次襯砌；

3)循環2)至開挖結束，每一循環開挖進尺為2 m，臺階長6 m。

圖6 三臺階法隧道開挖示意圖

Fig. 6 Sketch diagram of tunnel excavated by three-bench method

三臺階法隧道開挖數值模型如圖7所示。模型取開挖方向為100 m，橫向寬度為140 m，隧道埋深方向為90 m，其中隧道跨度為18 m。隧道結構包括初期支護和二次襯砌，初期支護厚30 cm，二次襯砌厚80 cm。此外，在建模過程中考慮了注漿層及錨桿： 注漿層厚20 cm，采用實體單元模擬；錨桿長3 m，錨桿間距及排距均為1 m，采用三維桿單元模擬。

(a) 圍巖模型圖

(b) 三臺階開挖隧道結構模型圖

Fig. 7 Numerical model of tunnel excavated by three-bench method

模型約束條件如下： 圍巖模型上表面為自由面，其余各表面均約束法向的位移。模型中采用的材料參數如表3所示。圍巖材料使用摩爾-庫侖模型，錨桿及隧道襯砌均采用線彈性模型。

表3 材料參數表

3.2結果分析

三臺階法開挖模擬結果如圖8所示。

(a) 豎向變形云圖

(b) 水平變形云圖

(c) 圍巖應力云圖

(d) 襯砌及注漿層應力云圖

(e) 錨桿軸力

Fig. 8 Numerical simulation results of tunnel excavated by three-bench method

由圖8可以看出，隧道經過不同地層時應力狀態出現明顯的突變，這種變化在穿越斷層破碎帶時尤為明顯。此外，拱頂豎向收斂變形圖和側墻水平收斂變形圖均示出斷層破碎帶處的結構變形最大，其中拱頂豎向變形達到8.7 cm，仰拱豎向變形達到2.8 cm，水平變形達到2.3 cm。這說明斷層破碎帶處的圍巖性質較差，受擾動后易發生大變形，導致隧道結構變形過大，是控制隧道收斂變形的關鍵部位。隧道各部位的變形數值整體偏大，結合實際工程中三臺階法開挖的變形監測情況可知，三臺階法不適用于圍巖性質較差的地層。

錨桿軸力如圖8(e)所示。可以看出，拱頂范圍內的錨桿受拉，最大值出現在斷層破碎帶處，為323.8 kN；拱腳范圍內的錨桿受壓，最大值也出現在斷層破碎帶處，為78.2 kN。此外，泥巖范圍內的錨桿軸力均值大于其他圍巖內的錨桿軸力的均值，說明錨桿在不良圍巖中只要設置合理，是可以發揮重要作用的。

4 控制技術研究

4.1開挖工法對變形的影響研究

在實際工程中，部分區段出現了隧道收斂變形過大侵入限界的情況。為進一步控制隧道結構開挖施工中的變形值，本文提出變更施工工法、調整開挖進尺、增強初期支護強度和臨時支護形式的綜合方案，并通過數值分析驗證該方案的有效性。

與三臺階法相比，雙側壁導坑法更適用于軟巖地層中變形大的隧道施工。選用雙側壁導坑法作為調整后的工法，其隧道結構模型如圖9所示。

圖9 雙側壁導坑開挖隧道結構模型圖

Fig. 9 Structural model of tunnel excavated by double-side drift method

圍巖尺寸及材料參數均與三臺階法相同，具體開挖工程如下：

1)地應力平衡；

2)注漿、打錨桿、開挖左側導坑進行初期支護、開挖右側導坑進行初期支護、開挖上部核心土進行拱頂初期支護、開挖下部核心土進行底部初期支護、拆除臨時支護施作二次襯砌；

3)循環2)至開挖結束，每一循環開挖進尺為2 m。雙側壁導坑開挖模擬結果如圖10所示。可以看出，拱頂處圍巖的豎向變形最大值為7.1 cm，仰拱處圍巖豎向變形最大值為2.0 cm，圍巖水平變形最大值為1.3 cm。最大值出現在斷層破碎帶處，出現位置與三臺階法相同，但其值均小于三臺階法，說明使用雙側壁導坑法可以有效控制圍巖及隧道結構的變形。

(a) 豎向變形云圖

(b) 水平變形云圖

Fig. 10 Numerical simulation results of tunnel excavated by double-side drift method

4.2進尺及初期支護強度對變形的影響研究

基于雙側壁導坑開挖工法，提出調整開挖進尺、增強初期支護強度和臨時支護采用復合管片的綜合措施來控制隧道開挖產生的大變形。其中，臨時支護為新型復合管片，具有剛度大、拼裝精度高、易施工等優點，可作為山嶺隧道臨時支護使用，且使用后可拆卸循環使用，有利于降低成本。模型中基于受壓剛度等效理論，新型復合管片的彈性模量設定為45 GPa，密度為3 200 kg/m3，在分析過程中通過改變材料參數實現臨時支護的變更。此外，將進尺數值設置為4 m和6 m重新進行開挖模擬。各工況條件下的計算結果匯總如表4所示。可以看出，初期支護強度、開挖進尺和臨時支護形式均對隧道襯砌的變形存在較大影響。臨時支護使用復合管片時的隧道變形小于使用常規噴錨支護。使用臨時支護為復合管片且每循環開挖進尺為4 m時，隧道結構變形最小，拱頂豎向變形最大值為5.2 cm，仰拱豎向最大變形為1.7 cm，水平變形最大值為1.0 cm。

5 結論與討論

基于ABAQUS軟件，通過建立三維開挖模型分別研究了三臺階法和雙側壁導坑法在隧道開挖時相應的圍巖及隧道襯砌的變形情況，并進一步分析了不同循環進尺和臨時支護為復合管片時對隧道襯砌和圍巖變形的影響，得出結論如下。

1)初期支護強度、開挖進尺和臨時支護形式均對控制變形產生影響。使用可拆卸的復合管片作為臨時支護可有效提高施工效率，且能夠循環使用，有利于降低工程造價。王崗山隧道采用雙側壁導坑法施工時，開挖進尺控制在4 m左右為宜。

2)錨桿在拱頂區域受拉，在拱腳區域受壓，且地層條件越差，拱腳處錨桿軸力越顯著，說明地層條件差時，鎖腳錨桿可起到重要作用。

3)各工況計算結果顯示，圍巖和隧道襯砌的最大變形均產生在斷層破碎帶處。該隧道在穿越斷層破碎帶時在采用雙側壁導坑法的基礎上，增設臨時支護和超前導管注漿及管棚支護等一系列控制變形的措施，以確保安全施工。

4)進行圍巖亞分級，為王崗山隧道施工方法的改良提供了理論依據，并針對雙側壁導坑法應用后變形控制的有效性及關鍵控制因素進行了研究。但討論的相關因素較為有限，雙側壁導坑法在軟弱地層中的優勢需要結合控制開挖變形的具體措施深入分析，其他施工工法在王崗山隧道工程中應用的可行性也有待進一步研究。

表4 不同工況計算結果匯總表

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StudyofOptimizationofConstructionTechnologiesforSuper-largeCross-sectionSoftRockTunnelBasedon3DNumericalSimulation

ZHU Weidong

(The5thEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway16thBureauGroup,Tangshan064000,Hebei,China)

The surrounding rocks of Wanggangshan Tunnel are sub-classified based on railway design standards and surrounding rock classification standards; the tunnel construction process is simulated by finite element software ABAQUS considering excavation direction, complex surrounding rock conditions and fault and fracture zone; and the characteristics of stress and deformation of tunnel lining and surrounding rock after three-bench excavation are obtained. And then, the double-side drift method which is favourable for deformation control is put forward; and the deformation control effect is verified. Finally, the influencing factors on deformation of tunnel lining and surrounding rock are analyzed; and the optimal advancing parameters and primary/temporary support mode are obtained. The numerical calculation results show that: 1) The excavation-induced deformation of tunnel lining and surrounding rock can be effectively controlled by double-side drift method. 2) The anchor bolt plays a significant role in complex strata. 3) Cyclic advancing and primary support strength have influence on excavation induced deformation; and the deformation of tunnel lining and surrounding rock can be effectively controlled by using new composite segment primary support. 4) The fault and fracture zone is the key to Wanggangshan Tunnel; as a result, rational excavation method and relevant auxiliary surrounding rock disturbance reducing methods should be adopted.

Wanggangshan Tunnel; super-large cross-section tunnel; sub-classification of surrounding rock; three-bench method; double-side drift method; 3D numerical simulation

2017-07-12;

2017-10-10

朱衛東(1971—)，男，陜西眉縣人，2006年畢業于天津大學，建筑與土木工程專業，碩士，高級工程師，現從事施工管理工作。E-mail： zhuweidongg@sina.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.016

U 45

A

2096-4498(2017)11-1462-07