山嶺隧道開挖施工方案比選研究

黃必洲 姚云杰

摘要：文章采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立山嶺隧道全斷面法和三臺階法兩種施工模型，通過設置監測點，重點分析了兩種施工方法的位移、最大主應力變化規律，并對比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區大小和位置。結果表明：相對于全斷面法施工，采用三臺階法施工時隧道拱頂、仰拱以及側墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，在結構設計中應該考慮加強仰拱處的結構強度設計以增加仰拱處圍巖穩定性;全斷面法施工對拱腳影響較大，三臺階法施工對仰拱和拱腳影響均較大，設計和施工時應該對上述點進行重點關注，必要時采取加固措施;運用全斷面施工方法時塑性區主要出現在兩側拱腳位置，而運用三臺階施工方法時塑性區主要出現在兩側拱腳位置以及側墻和拱腳之間的拱腰位置，且前者塑性區面積要大于后者;綜合分析圍巖位移、最大主應力以及塑性區大小等方面可知，采用三臺階施工方法更為優越。

關鍵詞：山嶺隧道;變形;最大主應力;塑性區;施工方法

0 引言

近年來，隨著國家對基礎設施建設的大力投入，逢山開路、遇水架橋等情形隨處可見，隧道工程作為穿山常用的施工方式，被廣泛應用于各個工程中。山嶺隧道常用的開挖方法有全斷面法和分臺階法，二者被廣泛應用到山區隧道建設當中。近年來，有關隧道施工方法的研究主要有：劉宇鵬、陳海帆等[1-2]采用數值模擬對淺埋大跨徑連拱隧道不同施工方案圍巖應力場、位移場和塑性區變化規律進行了數值分析，研究結果可為連拱隧道的優化設計提供可靠的理論依據;徐東強、劉東等[3-4]以Ⅳ級圍巖段隧道為研究對象，采用FLAC3D軟件，采用Hoek-Brown屈服準則對替代仰拱的新型支護方案進行了分析，并提出了Ⅳ級圍巖下替代仰拱的條件;張聯志等[5]分析了隧道拱頂出現塌方的原因以及所采用加固措施的有效性，并對塌方周邊斷面加固前后圍巖位移和支護結構應力進行了監測，最后利用FLAC3D軟件對隧道塌方段進行數值模擬分析;熊鑫等[6]以北嶺山隧道為工程背景，采用有限元軟件ANSYS建立軟弱圍巖段深埋寬長隧道施工模型，得出了隧道循環施工的應變規律，通過與現場監控量測數據對比，驗證了其合理性。

為了分析隧道全斷面施工和分臺階施工二者的優缺點，本文以山嶺隧道為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立全斷面和三臺階法隧道施工模型，通過設置監測點，重點分析了隧道開挖之后兩種施工方法的位移、最大主應力變化規律，并對比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區大小和位置，研究結果可為類似地區隧道設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某山嶺地區擬建隧道工程，全長1.8 km，該區域圍巖等級以Ⅳ為主，主要包含有碎石土、變質巖、砂巖、板巖以及角礫石等，結構較為松散，圍巖穩定性較差。該處地形起伏較大，山體海拔高程在1 100～1 600 m范圍內，山頂樹木較為密集，部分基巖裸露。根據初步設計，擬定斷面為三圓心弧組成，隧道最大寬度為11.2 m，最大高度為8.8 m，擬采用全斷面法施工或三臺階法施工。為了對比兩者優異性，文中采用數值分析方法進行對比分析。

2 數值建模

如圖1所示，以典型斷面DK0+320～DK0+686段為研究對象，采用大型有限元軟件MIDAS/GTS建模進行分析。本文中，隧道尺寸按實際大小和形狀建立，考慮到隧道的洞徑以及開挖影響范圍，所建模型長、寬、高分別為70 m、30 m和50 m，隧道中心埋深為25 m，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。隧道支護形式為初支和二次支護，即錨桿+鋼筋網+噴射混凝土+二次襯砌。初支噴漿厚度為25 cm，二次襯砌厚度為40 cm，錨桿長度為3.0 m，直徑為25 mm，間距為2 m，橫斷面上共計33根。其中隧道圍巖采用實體單元建立，錨桿和襯砌采用結構單元，并將鋼筋網等折合到混凝土上，模型網格共計12 642個。如圖2所示，為采用全斷面開挖施工和三臺階法開挖施工模型圖，在開挖之前分別在拱頂、左右側墻、拱腳以及仰拱處設置位移和應力監測點，詳見圖2（a）。三臺階法開挖施工分三步：開挖上臺階、中臺階和下臺階。對于全斷面法，單次循環掘進均為2 m，共分15次循環掘進完成;對于三臺階法，單次循環掘進均為2 m，且上臺階和中臺階始終超前下臺階4 m和2 m。表1和表2給出了圍巖、錨桿以及襯砌的相關力學參數。

3 數值結果分析

3.1 監測點變形分析

通過數值試驗，可以得出拱頂的位移方向為豎直向下、側墻和拱腳的位移方向為朝向洞內、仰拱的位移方向為豎直向上的結果。為了分析全斷面法和三臺階法的差異，本節以各監測點變形量為豎坐標，施工步為橫坐標，分析各監測點的位移變化趨勢，其中一個施工步即為單個開挖循環。如圖3所示，在達到4個施工步時，全斷面法施工時監測點位移已經基本趨于穩定。四個監測點中，拱頂最大變形值為18.1 mm，仰拱、側墻以及拱腳的最大變形值分別為23.7 mm、2.3 mm和1.9 mm。如圖4所示，為三臺階法施工時監測點隨施工步的變形值。四個監測點中，拱頂最大變形值為11.4 mm，仰拱、側墻以及拱腳的最大變形值分別為12.2 mm、1.9 mm和1.6 mm。

分析可知，采用三臺階法時，其拱頂、仰拱以及側墻和拱腳的位移均小于采用全斷面法施工。相對于全斷面法施工，拱頂、仰拱以及側墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱頂和仰拱減小幅度較大。此外，觀察圖3和圖4可以發現，在兩種施工方法中，仰拱的隆起值均超過了拱頂的沉降值，這與模擬過程中未在仰拱處施作錨桿有關，在結構設計中應該考慮加強仰拱處的結構強度設計以及增加仰拱處的圍巖穩定性。

3.2 監測點最大主應力分析

隧道開挖會引起應力釋放，研究隧道附近圍巖的最大主應力可以為隧道附近圍巖的松散程度提供參考。通過數值試驗，可以得出4個監測點的應力均為壓應力的結果。為了分析全斷面法和三臺階法的差異，本節以各監測點壓應力值為豎坐標，施工步為橫坐標，分析各監測點的壓應力變化趨勢。圖5為全斷面法施工時4個監測點的最大主應力值，由圖可知：4個監測點應力值都逐漸減小，其中拱腳應力釋放最為明顯，其他3點應力釋放水平較小。相對于初始值，最終拱頂、仰拱以及側墻和拱腳應力分別減小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。圖6為三臺階法施工時4個監測點的最大主應力值，由圖可知，與全斷面開挖法不同，三臺階法施工時圍巖擾動次數較多，出現最大主應力上下浮動跳躍的現象，相對于初始值，最終拱頂、仰拱以及側墻和拱腳應力分別減小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。

綜上可知，全斷面法施工對拱腳的影響最大，三臺階法施工對仰拱和拱腳影響較大。采用上述施工方式時，應該對上述各點重點關注，必要時采取加固措施。

3.3 隧道圍巖塑性區分析

隧道開挖后，圍巖塑性區的大小及位置在一定程度上能反映圍巖的穩定狀態。如圖7所示，提取兩種施工方法開挖完成之后的圍巖塑性區進行對比。如圖7（a）所示，采用全斷面施工方法時，塑性區主要出現在兩側拱腳位置;采用三臺階施工方法時，塑性區主要出現在兩側拱腳位置以及側墻和拱腳之間的拱腰位置。此外，對比兩個圖可以發現，全斷面施工時塑性區的面積要大于三臺階施工法。

綜上可知，綜合分析圍巖位移、最大主應力以及塑性區大小等方面可知，相對于全斷面法，采用三臺階施工方法時圍巖的穩定性更好，對于維持圍巖穩定性較好。

4 結語

本文以山嶺隧道為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立全斷面法和三臺階法隧道施工模型，通過設置監測點，重點分析了隧道開挖之后兩種施工方法的位移和最大主應力變化規律，并對比分析了兩種方法施作后的圍巖塑性區大小和位置，主要得到如下結論：

（1）相對于全斷面法施工，采用三臺階法施工時隧道拱頂、仰拱以及側墻和拱腳變形值分別減小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱頂和仰拱減小幅度較大。兩種施工方法中仰拱的隆起值均超過了拱頂的沉降值，在結構設計中應該考慮加強仰拱處的結構強度設計，以增加仰拱處圍巖的穩定性。

（2）全斷面法施工時，相對于初始值，最終拱頂、仰拱以及側墻和拱腳的最大主應力分別減小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。而三臺階法施工時拱頂、仰拱以及側墻和拱腳的最大主應力分別減小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。即全斷面法施工對拱腳的影響較大，三臺階法施工對仰拱和拱腳的影響較大。設計和施工時應該對上述幾點進行重點關注，必要時采取加固措施。

（3）運用全斷面法施工時塑性區主要出現在兩側拱腳位置，而運用三臺階施工方法時塑性區主要出現在兩側拱腳的位置以及側墻和拱腳之間的拱腰位置，且前者塑性區的面積要大于后者。

（4）綜合分析圍巖位移、最大主應力以及塑性區大小等方面可知，三臺階施工方法更優越。

[1]劉宇鵬，王玉標，李永斌.淺埋大跨徑連拱隧道不同施工方案對比分析[J].公路，2014（5）：142-146.

[2]陳海帆，傅鶴林，周 明.淺埋偏壓隧道洞口段施工方案的數值模擬與分析[J].企業技術開發，2014，33（31）：11-14.

[3]徐東強，薛宇飛.基于現場監測與數值模擬公路山嶺隧道Ⅳ級圍巖段仰拱優化分析[J].科學技術與工程，2018，18（32）：88-93.

[4]劉 東，傅鶴林，馬 婷，等.高水壓山嶺隧道注漿孔參數優化數值模擬分析[J].礦業研究與開發，2013（4）：40-43.

[5]張聯志，陳 偉，陳 賀，等.山嶺隧道塌方處理加固措施及FLAC3D模擬對比分析[J].湖南工業大學學報，2013，27（3）：36-40.

[6]熊 鑫，吳政隆.隧道動態施工數值模擬分析研究[J].土工基礎，2015（5）：45-47，61.

作者簡介：黃必洲（1975—），工程師，研究方向：公路隧道日常養護。