超大斷面隧道開挖方案數值模擬研究分析

摘要 文章通過對某通道工程地下隧道兩種不同開挖方案進行模擬，對比分析其優缺點，并對結果進行研究分析從而指導實際施工。研究結果表明：在滿足規范要求情況下，采用方案較優的雙側壁導坑十步法只需增加一次開挖步驟，減少臨時支護的施作位置，能使隧道拱頂沉降降低12%，地表沉降降低19%。采用雙側壁導坑十步法使隧道的工作區間增大，更方便現場機械化施工。綜合比較，選取雙側壁導坑十步法作為該段的施工方案。

關鍵詞 數值模擬;隧道開挖;超大斷面隧道;FLAC3D

中圖分類號 U452.11 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0172-03

引言

計算機技術的發展也在推動著巖土工程數值計算的發展，實踐證明，數值模擬方法在隧道開挖方案評估方面有著重要作用。陳帥宇[1]運用FLAC3D對水利樞紐工程地下廠房區進行了模擬施工開挖過程，討論了洞室圍巖因開挖而導致的變形，分析了圍巖的塑性區分布及地下廠房洞室群圍巖的穩定性，并針對局部進行加固處理。朱念焜[2]以某大斷面山嶺鐵路隧道建設為實例，運用FLAC3D軟件進行數值模擬計算，探討了三種不同施工方案對隧道圍巖位移、應力及塑性區穩定性的影響，綜合比較，采用對圍巖位移變形有更好控制效果的CD法，為實際提供理論支撐。高軍[3]采用FLAC3D數值分析軟件對粉土和砂土層盾構隧道開挖的過程進行了模擬，討論了開挖過程中周圍土層的應力和變形規律，為實際生產提供了參考。

該文結合某通道工程為工程背景，結合FLAC3D軟件對深埋超大斷面隧道開挖過程進行模擬分析，通過對比不同施工方案所引起圍巖的位移、應力、地表沉降等，進而為工程實際方案的選擇提供指導性依據。

1 工程簡介

某工程隧道長55.2 m，最大凈跨度寬度為30.51 m，最大凈高為17 m，最大斷面開挖面積為421.73 m2，為超大深埋斷面隧道。根據勘察報告顯示，隧道距地面頂最高處為200 m。

該隧道通過燕山晚期第二次侵入花崗巖地層，中粗粒結構，塊狀構造，節理、裂隙稍發育，主要節理為N10～39°，以中風化花崗巖、微風化花崗巖為主，巖體較為完整，綜合評定圍巖等級為三級。

隧道廠區內地貌屬于沿海低山丘陵地貌，地下水主要賦存于坡積、沖積層中，丘陵區斷裂帶為潛在的賦水區。地下水埋藏較淺，一般為1.0～1.5 m。施工導洞內地表水比較豐富，地下水在斷裂構造帶較發育。

2 數值模擬

2.1 模型建立

FLAC3D采用的是顯式拉格朗日算法[4]和混合-離散分區技術，在處理大變形破壞問題時能更好的求解。為建模時模型與實際工程盡可能保持一致，有關研究表明，隧道開挖施工在隧道直徑3～5倍的范圍內對周圍圍巖有影響[5]，該文模型隧道x方向上為350 m，隧道長度y方向上為90 m，z方向為200 m。其開挖模型如圖1所示：

模型上部為自由邊界，其余均為法向約束，計算時在其z方向上添加等效重力，模型計算網格為八面體為主，共計27 880個單元，286 552個節點。根據地質勘察報告文件顯示，該隧道所處土體分為3個土層，分別為砂礫狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。在數值分析計算時選擇庫倫摩爾本構模型，實體單元，根據勘察文件，選取力學參數如表1所示。

2.2 開挖方案設定

隧道開挖模擬方案為雙側壁導坑九步法（九步法）和雙側壁導坑十步法（十步法）。兩種模擬方案示意圖如圖2所示：

兩種開挖方案均按照圖示中序號由小到大進行，每次開挖的深度為5 m，開挖后及時施作初期支護和臨時支護，待支護完成后打入錨桿，完成支護。初期支護采用理想彈塑性模型來進行模擬，根據現有設計要求，將錨桿的彈性模量設定為28 GPa，泊松比0.2。等開挖到合適的距離后（即同一斷面的圍巖全部開挖完成后），進行臨時支護拆除，直至完成隧道開挖，另外在模擬中，未涉及二次襯砌有關問題。

3 結果分析

3.1 圍巖位移分析

超大斷面隧道開挖施工時，常用圍巖位移的變化來反映隧道圍巖的穩定性，因此隧道拱頂圍巖的位移分析是關注的重點。先計算初始地應力，把位移狀態清零，提取出數值模擬計算結果，繪制隧道拱頂沉降變化曲線如圖3所示。

在分析步達到9 000時，十步法明顯優于九步法，采用九步法所引起的隧道拱頂沉降量達到了17.23 mm，對比十步法其沉降量為15.16 mm，分析其原因，相比較于九步法，十步法將隧道掌子面分為面積大小相似的幾個區域，且每次開挖面積較少，因此施工對隧道周圍巖石的擾動較小。兩種方法都滿足隧道安全標準[6]，但十步法比九步法降低了12%的拱頂沉降。

3.2 地表沉降分析

十步法改變了開挖順序，且更改了臨時支護的位置，并減少了大量的臨時支護，對比兩種方案導致地表的沉降，如圖4所示。在模擬計算時，在同一位置處設立監測點，隨著開挖分析步的進行，分別記錄兩種工序開挖對上部地面的影響。結果顯示當頂部掌子面開挖后地表沉降急速達到最大，隨著分析步的進行地面沉降緩慢增加。二者地表沉降變化曲線保持一致，待隧道最終開挖完成后，二者分別達到了9.7 mm和7.85 mm，對比分析十步法比九步法減少了19%的地面位移。

3.3 圍巖應力分析

十步法減少了大量的臨時支護，需要驗證圍巖是否處于一個安全的狀態，為此提取出數值計算的結果進行分析。圖5為兩種不同開挖方式完成后，隧道圍巖最大主應力分布圖。結果顯示，圍巖應力分布規律相同，均出現在了隧道兩側，九步法產生的最大主應力為4.19 MPa，十步法產生的最大主應力為3.89 MPa，比九步法降低了5%，分析其原因是因為開挖方案不同，十步法將外側圍巖分為8塊，相對避免了圍巖應力集中的現象。

另外，對比二者在同一監測點上x方向上圍巖應力如圖6所示。由于二者的開挖步驟不同，且一次開挖掌子面的面積不同，導致其圍巖應力有所不同，對比分析九步法引起圍巖應力約為5.71 MPa，十步法所引起的圍巖應力約為5.86 MPa，比九步法增加了2%。

4 結論

通過運用FLAC3D軟件，對兩種不同的施工工序進行模擬分析，得出以下結論：

（1）在相同的參數條件下，開挖方案選取的不同，導致圍巖的狀態也不一樣。但兩種方案均滿足隧道設計標準，具體表現在：十步法降低了12%的拱頂沉降、19%的地面沉降，其最終引起了15.16 mm的拱頂沉降和7.85 mm的地表沉降。但隨著臨時支護的減少，十步法也僅僅增加了2%的圍巖應力，滿足要求。

（2）由模擬數據與現場數據對比分析，十步法在減少大量臨時支護后，仍能滿足現場施工要求。且根據工程現場實踐經驗可得知，在面對大斷面隧道開挖時，十步法所產生的導坑較為規則，在實際作業時，整體按照先上后下的順序開挖，作業空間大，方面大型機械進入施工，促進現場機械化施工進程。

該文所述雙側壁導坑十步法是在三級圍巖狀態下的模擬施工，在實際施工過程中，每一導坑開挖時，每次循環進深為2榀拱架距離（即開挖深度5 m），每一導坑開挖至安全距離后進入可進行下一導坑施工，該文也可為其他圍巖狀態不同的隧道開挖提供參考。

參考文獻

[1]陳帥宇， 周維垣， 楊強， 等. 三維快速拉格朗日法進行水布埡地下廠房的穩定分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2003（7）： 1047-1053.

[2]朱念焜， 陳月順， 賈晶磊. 大斷面隧道開挖穩定性數值模擬分析[J]. 太原學院學報（自然科學版）， 2021（1）： 1-6.

[3]高軍， 劉亞克. 盾構隧道在施工中的沉降分析[J]. 建筑設計管理， 2016（5）： 91-93.

[4]鄧紅衛， 朱和玲， 周科平， 等. 基于FLAC～（3D）數值模擬的前后處理優化研究[J]. 礦業研究與開發， 2008（2）： 60-62.

[5]蘇曉堃. 隧道開挖數值模擬的圍巖邊界取值范圍研究[J]. 鐵道工程學報， 2012（3）： 64-68.

[6]張世飆， 夏述光， 左昌群， 等. 軟巖隧道圍巖變形量與變形速率臨界值及警戒值探討[C]//中國公路學會第三屆全國公路科技創新高層論壇——湖北優秀論文集. 2006： 43-46.

收稿日期：2022-03-05

作者簡介：張昂然（1989—），男，本科，工程師，從事道路與隧道工程施工管理工作。