長大隧道I V級圍巖段全環開挖工法優化研究

袁金波

（河南理工大學，河南 焦作454000）

1 引言

目前，國內Ⅳ級軟弱圍巖大多采用臺階法的開挖方式。國內鐵路隧道建設水平的不斷提高和大型機械化設施的日漸完善，都為Ⅳ級軟弱圍巖全環開挖法提供了一定的建設條件。全環開挖法相較于臺階法的優點有：（1）開挖空間大，大型機械有充足的作業空間；（2）對圍巖的擾動次數少，連同仰拱一次開挖成型；（3）節省施工成本；（4）工序少，施工速度較快。采用大型機械的目的是為了提高施工效率，避免不必要的費用，但由于Ⅳ級圍巖多為軟弱圍巖，考慮其自穩性和安全性，采用大型機械化全環開挖法不符合相關鐵路規范要求，故軟弱圍巖在全環開挖法下的穩定性研究具有一定的重要意義。

田佳，李金鵬[1]通過將成套的隧道大型機械化設備應用于大斷面隧道的施工。結果表明，此工法具有提高安全性、提升施工質量等優點。劉希亮，孫飛躍[2]采用FLAC 3D 數值模擬軟件研究了臺階法、CD 法、CRD 法的施工，并根據圍巖位移、應力、應變和地表沉降的云圖分析3 種方法的圍巖變化規律。研究結果表明，相同情況下，與臺階法和CRD 法相比，CD 法不僅在圍巖位移、圍巖應力、地表沉降量具有優勢，而且施工效率高[3～5]。

2 工程概況及數值模型

選取國內某隧道進行現場研究，該隧道設計為350 km/h的單洞雙線隧道，共設輔助坑道3 座，采用的是CRTSI 型雙塊式無砟軌道，隧道內軌頂面以上設計為凈空有效面積100 m2，隧道襯砌類型為復合式襯砌。所選段埋深為103～328 m，長度為60 m，為-5‰的下坡，巖體較為完整。

隧道斷面高12 m，寬15 m，因隧道開挖將會對周圍3 倍左右隧道尺寸有一定影響，故整個模型X，Y，Z3 個方向取200 m，60 m，200 m。隧道圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性模型（Mohr-Coulomb Elastic-Plastic Model）。初期支護的噴射混凝土為Elastic 各向同性彈性模型。在初期支護和圍巖接觸面上施加虛擬支撐力，模擬相關條件[6～8]。因為要研究2 種不同開挖方式，故設置同等條件，臺階法和全環法模擬進尺均設置2.4 m。隧道圍巖和支護結構物理參數由現場數據得出，見表1。隧道數值模擬模型如圖1 所示。

表1 隧道圍巖和支護結構物理參數

圖1 隧道數值模擬模型

3 數值模擬計算結果分析

根據數值模擬結果，將圍巖位移、應力、應變計算結果統計在表2 中，由于水平變形量差別不大，故統計豎向變形。

表2 模擬結果統計

3.1 圍巖位移分析

通過分析位移模擬結果可知，2 種開挖方式模擬的豎向變形最大的地方發生在隧道拱頂和拱底，這一點與實際情況相同。全環法、臺階法拱頂最大位移從表2 中可知分別為19.44 mm 和20.4 mm，在拱頂位移方面臺階法比全環法多0.96 mm，這是因為Ⅳ級軟弱圍巖一般采用兩臺階的開挖方式，也就是在開挖過程中對掌子面進行上下分部開挖，而全環法則不同，全環法是對掌子面進行一次全部開挖（含仰拱），所以臺階法比全環法增加了對土體的擾動次數，造成拱頂位移臺階法比全環法大。2 種開挖方式模擬的水平位移值左右基本對稱，從總體上來說，2 種開挖方法的圍巖變形雖然有差別，但是差別不是很大。

當隧道開挖后，由于圍巖的自穩性，巖體進行應力重分布，部分巖體形成類似于壓力拱效應，這就造成處在壓力拱中的巖體不僅要承受自身的荷載，還要承受其周圍巖體的荷載，就會形成拱頂處的位移是向下的，而也因壓力拱效應，會使上部形成的壓力往兩邊巖體向拱外作用[9,10]。

3.2 圍巖應力分析

通過分析應力模擬結果可知，正負代表拉壓應力，頂部和底部顯示均出現拉應力，而最大壓應力分布在隧道兩側，而且此處應力最為集中，容易發生破壞，在施工過程中應注意加固。全環法的應力集中現象比臺階法的應力集中現象較為嚴重，全環法和臺階法開挖支護后的最大壓應力分別為28.01 MPa、25.47 MPa，最大壓應力方面，數值上全環法比臺階法大2.54 MPa，當采用全環法開挖時應注意超前加固。拱頂的水平應力最大，兩腰處水平應力較小，而且全環法的最大水平應力比臺階法的小0.48 MPa。

3.3 圍巖應變分析

通過分析應變模擬結果可知，主應變增量大部分處均在拱頂、拱底和兩腰處，且全環法在拱頂和拱底處的主應變增量比臺階法的要大一些，剪切應變增量主要分布在拱底處，在施工中應該注意此處可能會發生剪切破壞，而且全環法的剪切應變增量比臺階法產生的剪切應變增量小。

4 隧道監控量測分析

為了保證隧道安全順利施工，監控量測是不可缺少的一環。本文設置一個拱頂測點和2 條水平收斂測點如圖2 所示。收集30 d 的量測數據，對測量數據進行規整，如圖3 所示。分析可知，隨著時間的增加，拱頂沉降量和水平收斂趨勢逐漸增大，隧道拱頂和收斂均在30 d 左右趨于穩定。

圖2 監控點布置圖

圖3 拱頂沉降和水平收斂變形曲線圖

5 結論

通過以上數值模擬對圍巖的變形、應力、應變的計算結果和監控量測，可以得出以下結論：

1）通過本文圍巖位移、圍巖應力、圍巖應變的數值模擬分析可知，臺階開挖法和全環開挖法的各項數據均正常，隧道處于安全范圍內；

2）現場量測數據比數據模擬數據略大，這是由于現場不確定因素較多，例如，二次開挖，機械震動，測量誤差等都會影響量測數據；

3）本文僅研究了初支條件下的全環開挖，未對進尺、步距、二次襯砌等方面做仔細研究，所以僅能對在初支條件下提供參考依據。