既有南嶺鐵路隧道擴建開挖方法數值分析

丁 廣 楊文龍 甄尚維

(1.中國鐵路沈陽局集團有限公司建設部，遼寧 沈陽 110001； 2.中鐵七局集團第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

隧道的擴挖和支護過程是一個極其復雜的圍巖應力重分布的過程，不同的隧道擴挖方法將會對圍巖產生不同的擾動程度。李元福[1]介紹了成昆線關村壩隧道在不中斷運營的條件下擴建施工采用的施工方法，實際工程證明，采用該施工方法進行隧道改擴建是成功的。彭念[2]采用理論分析及數值模擬的方法，將原位擴建分為層層剝皮法和臺階法，利用復變函數理論對兩種開挖方法進行了求解，并通過有限元分析軟件ANSYS進行數值模擬，分析了兩種擴挖方法的圍巖應力、位移以及支護結構內力等力學行為；馮廣[3]在施工方法、開挖順序以及開挖高度等方面對依托工程展開了研究，并對圍巖和支護結構的受力及變形規律進行了研究；都魏龍等[4]以棚頭溝擴建隧道為工程依托，采用數值分析軟件對全斷面和臺階法兩種開挖方法進行了數值模擬，對比分析了兩種開挖方法的圍巖位移及受力特性。結果表明，采用臺階法不管在控制圍巖的位移還是減小初期支護的受力方面都具有一定的優勢；鄭強[5]以大帽山公路隧道為工程依托，對不同開挖面積、施工順序及循環進尺等條件下的CD工法進行模擬分析，同時與現場監測結果進行對比，分析了擴建隧道施工過程中的圍巖和支護結構受力特性，取得了一定的成果；劉泉聲等[6]依托后祠隧道擴建工程，對全斷面法、中隔壁法和交叉中隔壁法三種開挖方法進行了模擬，分析了各擴挖方案下隧道位移和應力的變化規律，給出了依托工程最優的施工方案；高強[7]以山西省棚頭溝隧道擴建工程為依托，通過理論分析、數值模擬和現場監控量測相結合的方法，對黃土公路隧道擴建工程開挖方法進行了比選，提出了適用于依托工程的擴建開挖方法。

目前既有隧道擴挖方法使用最多的主要有全斷面法及臺階法，因此本文針對兩種擴挖方法對圍巖力學響應規律進行模擬研究。

1 數值計算模型的建立

本文選取依托工程Ⅴ級圍巖埋深最大段建立三維計算模型，隧道埋深為22 m。模型橫向取80 m，豎向取70 m，均為3倍～5倍洞徑，縱向取24 m。建立的三維數值分析模型如圖1所示，該模型共有72 072個單元，75 081個節點。隧道擴挖步的荷載釋放系數設為0.6和0.4。

依托工程初始隧道寬度5.5 m,高度8.1 m。擴挖后寬度7.15 m，高度9.25 m。因此，本文選用三種不同的擴挖方法：全斷面、臺階法(臺階長度6 m)、短臺階法(臺階長度3 m)進行計算分析。在本次模擬中，不考慮超前支護的作用。通過分析各種工況下圍巖位移研究不同開挖方法以及不同循環進尺對圍巖變形影響規律，尋找最合理的隧道開挖方案。為了便于分析，各擴挖方案均取隧道上臺階開挖至距隧道洞口18 m位置處時的結果。數值模擬中未考慮爆破對圍巖的損傷和震動影響。

2 結果分析

2.1 圍巖豎向(Z方向)圍巖分析

圖2為循環進尺為1 m時不同開挖方法對應的隧道軸線位置豎向位移云圖。

由圖2可以看出，各開挖方法地表沉降呈現為在隧道洞口處位移最大，且沿隧道軸線方向由洞口至掌子面過程中位移逐漸減小的特點。沿隧道軸線方向在洞口位置位移增長較為緩慢，接近掌子面位置位移增長速率達到最大，在掌子面前方位移增長速率又逐漸趨于平緩。這是由于隧道開挖過程中掌子面后方圍巖不斷受到重復擾動使其豎向位移逐漸增大，當位移增大到一定程度時，圍巖由于自身的承載作用使其逐漸趨于穩定狀態。全斷面法拱頂最大豎向位移為7.3 mm，短臺階法為9.05 mm，臺階法為9.37 mm。相比全斷面法，短臺階法拱頂最大豎向位移增長23.97%，臺階法拱頂最大豎向位移增長28.36%。對于地表沉降，短臺階法地表沉降位移較全斷面法增長22.18%，臺階法地表沉降位移較全斷面法增長25.19%。分析其主要原因是由于采用全斷面法開挖能夠一次成形，減少對周邊圍巖的擾動，同時支護結構能夠及時封閉，使其和圍巖能夠共同抵抗圍巖的變形。而采用臺階法和短臺階法施工步驟較多，對周邊圍巖擾動次數較多，而且支護結構封閉不夠及時，因此圍巖豎向位移相對較大。由于臺階法相比短臺階法臺階長度更長，襯砌封閉成環需要的時間更長，因此臺階法豎向位移稍大于短臺階法。

2.2 圍巖水平(X方向)圍巖分析

圖3為循環進尺為1 m時，不同開挖方法對應的隧道X方向位移云圖。

從圖3可以看出，各開挖方法隧道X方向位移均位于隧道左右兩側邊墻處，呈對稱形式布置。全斷面法X方向位移最小，最大位移為5.63 mm；短臺階法其次，最大位移為8.22 mm，臺階法X方向位移最大，最大位移為9.26 mm。且臺階長度越長，隧道水平方向位移越大，全斷面法水平方向位移明顯小于臺階法和短臺階法，其規律與圍巖豎向位移類似。其原因同樣是因為臺階法支護結構無法及時封閉成環，導致隧道周邊圍巖缺乏約束而產生較大的變形。

3 結語

本文利用有限元軟件Midas對既有南嶺隧道不同擴挖方法引起的隧道圍巖位移進行分析，得到以下結論：

1)全斷面法開挖產生的圍巖豎向變形和水平變形最小，但掌子面方向的擠出位移最大。短臺階法和臺階法的圍巖豎向變形和水平變形相差不大，但對于掌子面方向的擠出位移，臺階法表現出更大的優勢；

2)當擴挖斷面較小時，掌子面方向擠出位移較小，建議采用全斷面法開挖；若擴挖斷面較大或者圍巖較軟弱時，建議采用臺階法，臺階長度應結合掌子面方向的位移來決定。依托工程隧道擴挖斷面較小，全斷面法開挖掌子面方向最大位移不足10 mm，因此建議采用全斷面開挖。