軟弱破碎圍巖隧道開挖工法比選研究

羅燕平

(四川川交路橋有限責任公司，四川 德陽 618000)

0 前 言

軟弱破碎圍巖在隧道施工過程中一直是重難點問題，因其具有強度低、承載能力差、粘結力差、遇水易軟化、巖體結構面比較軟弱以及容易導致滑塌等工程地質特點成為大量專家學者關注的焦點[1-2]。艾光讀[3]依托陳家店隧道工程，選擇了四種軟弱圍巖隧道施工方法即臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法，并對這四種軟弱圍巖隧道施工方法展開了研究，結合實際工程地質條件，提出了最優的施工方法即雙側壁導坑法。葉權[4]依托云南省麗江文筆山隧道的噴錨暗挖臺階法施工段，采用有限元分析軟件，對軟弱圍巖施工段隧道初期支護沉降進行技術研究，通過監控量測對實際施工工況下的斷面進行數據收集，分析了鎖腳錨桿的支護作用理論。高艷花[5]依托青峰軟巖隧道,提出了相應的施工工法、掌子面穩定對策、拱腳穩定控制技術、合理剛度及強度支護措施等軟巖隧道施工大變形系統控制技術，并采用數值模擬及現場監測手段,研究了上述系統控制技術對軟弱圍巖隧道大變形的控制效果。本文依托金家莊特長螺旋隧道工程，通過數值模擬比選兩臺階法和三臺階預留核心土法兩種施工方法，討論適合該隧道的最優開挖工法。

1 工程概況

金家莊特長隧道位于河北省張家口市赤城縣炮梁鄉磚樓村東、金家莊村西北方向，全長4 104 m，隧道最大埋深約314.5 m，隧道區地表標高為1 406～1 738 m，相對高差332 m，入口端洞口坡度為16°～24°，出口端洞口坡度為26°～31°。隧道區地層主要為海西期二長花崗巖，局部為第四系覆蓋層。

本文以K82+100～K82+180為研究標段，該標段內隧道橫斷面采用兩臺階法和三臺階預留核心土法進行模擬開挖，進行開挖工法的比選。

2 隧道開挖數值模擬

2.1 計算模型建立

本次計算以金家莊特長螺旋隧道K82+100～K82+180段作為設計依據建立模型。隧道開挖寬度為13.83 m，高度為12.09 m。根據圣維南原理，隧道開挖計算模型的邊界通常取開挖洞徑的5～7倍[7]。本次建模中左右邊界取至距隧道邊墻80 m，上邊界取至距隧道拱頂80 m，下邊界取至距隧道拱底以下80 m，模型沿隧道軸向拉伸50 m。模型單元全部采用具有個8節點的6面體三維實體單元，計算模型總共包含153 100個單元和157 233個節點，計算精確度可以得到保證。各個施工工法計算模型見圖1。為了真實地模擬隧道所處的地應力場，模型下邊界采用約束豎向位移的位移邊界條件，頂面采用與上覆圍巖重度等效的應力邊界條件、側面根據不同側壓力換算成相應的邊界條件。

(a)兩臺階法網格劃分

2.2 開挖工法步序

本文針對金家莊特長螺旋隧道，采用兩臺階開挖法、三臺階預留核心土開挖法進行數值模擬(見表1)。

表1 隧道開挖計算工法一覽表 單位：m

2.3 模型計算參數選取

計算中將隧道圍巖視為均質、單一材料各向同性的連續介質，采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型來描述。通過FLAC3D中的空模型來實現圍巖的開挖。

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2014)和金家莊特長螺旋隧道地質勘察資料并做相應調整，本次計算選取的圍巖和隧道結構的物理力學參數如表2所示,錨桿物理力學參數如表3所示。

表2 圍巖、初期支護和二次襯砌物理力學參數

表3 錨桿物理力學參數

3 數值計算結果

本次計算選取監測斷面位于模型Y=40 m處，并在洞周布置8個監測點，記錄開挖過程中圍巖及支護結構的應力及位移變化，斷面監測點位置布置圖如圖2所示。

圖2 監測點位置示意圖

3.1 隧道洞周位移

位移監測數據見表4。從表4可以看出，兩種工況下的洞周圍巖位移大致相同。對于相同監測點位，工況2(兩臺階法)的位移明顯高于工況1(三臺階預留核心土法)的位移，這是因為采用三臺階預留核心土法一次開挖面積較小，有利于掌子面穩定，同時能夠更加及時的給圍巖提供支護阻力，控制圍的變形。

表4 洞周位移監測數據 單位：cm

3.2 隧道洞周應力

采用三臺階預留核心土法隧道開挖圍巖洞周應力分布云圖見圖 3所示。

(a)最大主應力

采用兩臺階法隧道開挖圍巖洞周應力分布云圖見圖4。

a)最大主應力

由圖3～4可知，開挖完成后三臺階預留核心土法圍巖最大主應力5.72 MPa，位于拱頂和仰拱，最小主應力-5.46 MPa，位于洞周距拱頂和拱底一定距離的位置。兩臺階法最大主應力4.51 MPa，位于拱頂和仰拱，最小主應力-5.04 MPa，位于洞周距拱頂和拱底一定距離的位置。對比兩種工法的洞周圍巖應力可知，兩臺階法最大、最小主應力均小于三臺階預留核心土法。兩臺階法施工對圍巖的擾動明顯小于三臺階預留核心土法，圍巖所需承受的主應力要優于三臺階預留核心土法。

3.3 初期支護內力對比

各工況下初期支護最大最小主應力值及其分布位置見表5。

表5 初期支護最大最小應力及分布位置 單位：MPa

由表5可以看出，兩種工況下得到的初期支護應力大小和分布有所不同。工況1(三臺階預留核心土法)較工況2(兩臺階法)的最大、最小主應力分別增加了18%和34%，說明兩臺階法控制隧道初期支護的變形優于三臺階預留核心土法。

3.4 初期支護位移(見圖5～6)對比

圖5 工況1初支位移曲線

圖6 工況2初支位移曲線

從圖5～6可以看出，工況1(三臺階預留核心土法)下隧道初期支護各監測點最大位移為20 mm，位于左拱腳；初期支護整體位移分布情況：拱腳位移>邊墻位移>拱肩位移>拱頂和仰拱位移。位移最小值位于拱頂；工況2(兩臺階法)下隧道初期支護最大位移只有14 mm左右，位于拱腳；初期支護洞周位移分布均勻，拱頂沉降受較大的圍巖水平側向壓力和二次襯砌施加的影響，其值有所減小，初期支護整體位移分布情況：拱腳位移，邊墻位移，仰拱位移>拱肩位移>拱頂位移。

對比兩種工況下初支位移曲線，工況1(三臺階預留核心土法)開挖初期支護位移相比工況2(兩臺階法)開挖增加了30%，說明兩臺階法相比三臺階預留核心土法施工擾動小，能控制了隧道初期支護的邊墻及拱腳的變形情況。

3.5 二次襯砌內力對比

各工況下二次襯砌支護最大最小主應力值及其分布位置見表6。

表6 二次襯砌最大最小應力及分布位置 單位：MPa

由表 6可以看出，兩種工況下得到的二次襯砌應力大小和分布差異不大，二次襯砌應力的分布情況比較相似，且二次襯砌在整個支護體系中受力相對較小，說明其主要作用仍是作為安全儲備。同時，計算時彈性單元模擬二次襯砌，實際中不管是混凝土還是鋼架都不是理想的彈性體，故而模擬出來的二次襯砌應力會比實際偏大。

3.7 圍巖塑性區對比

隧道在開挖的過程中，必然會引起圍巖應力的重分布，其中部分圍巖因發生應力集中現象，導致圍巖應力超過其屈服強度，從而產生不可恢復的屈服區域，形成圍巖塑性區。圖 7為上臺階開挖至Y=40 m(Y表示距離洞口的距離)、開挖完成后的工況1、工況2條件下圍巖塑性區分布,表7為圍巖塑性區體積。

(a)工況1塑性區

表7 兩種工況施工完成后圍巖塑性區體積 單位：m3

對比兩種工況的結果可以發現，工況1(三臺階預留核心土法)最終塑性區范圍比工況2(二臺階法)最終塑性區范圍大了14%,說明兩臺階法在開挖過程中對圍巖的擾動更小；從塑性區的分布看，三臺階預留核心土法塑性區分布范圍更少，更利于控制圍巖的穩定。

3 結 論

本文結合金家莊特長螺旋隧道工程現場工法(三臺階預留核心土法和兩臺階法)，借助FLAC3D有限元差分軟件分別對金家莊螺旋隧道現場施工工法進行開挖數值模擬，對比分析了兩種工法下隧道圍巖的位移、應力、初支、二襯內力、圍巖塑性區分布等，得到各工法下隧道施工的力學特性，并對施工工法進行工法比選，得到以下結果。

1)在控制圍巖變形方面，由于三臺階預留核心土法開挖能夠迅速施作支護結構[6]，及時提供支護作用，改善了支護結構受力，使支護結構能夠及早承擔圍巖應力，控制隧道變形速率，從而減小了隧道整體變形，故在控制圍巖變形方面，三臺階預留核心土法優于兩臺階法。

2)從隧道開挖后圍巖應力分布狀態可以看出，三臺階預留核心土法開挖后圍巖的大小主應力明顯高于兩臺階法，這是由于三臺階預留核心土法開挖面較多，對圍巖擾動較大所造成的[7]。

3)對比兩種工法的塑性區結果可以發現，三臺階預留核心土法最終塑性區范圍比兩臺階法最終塑性區范圍大了14%。說明兩臺階法在開挖過程中對圍巖的擾動更??；從塑性區的分布看，三臺階預留核心土法塑性區分布范圍更少，更利于控制圍巖的穩定。

4)對比兩種工法下初期支護內力可知，三臺階預留核心土法初期支護內力明顯大于兩臺階法，這是因為三臺階預留核心土法開挖后支護比較及時，在短時間內承擔圍巖所釋放的應力，控制住了圍巖的變形，保證了施工時的安全；而兩臺階法由于支護沒有三臺階預留核心土法及時，故當其進行初期支護時，圍巖已經釋放了一部分應力，所以就初期支護應力而言，兩臺階法要小于三臺階預留核心土法，但對于安全性而言，三臺階預留核心土法優于兩臺階法。

由此可見，對比兩種工法，兩臺階法更適宜于圍巖較穩定，掌子面揭露情況較好的情況；三臺階預留核心土法更適宜于圍巖較差，需及時對圍巖進行支護的情況。對于金家莊特長螺旋隧道，建議根據圍巖等級合理確定具體施工方法。針對金家莊特長螺旋隧道，當圍巖級別為S4a1，S4a2時，建議采用兩臺階法施工；當圍巖級別為S5a，S5b時，建議采用三臺階預留核心土法。

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