軟弱圍巖隧道開挖方法比選及數值模擬研究

秦煜杰，黎應書，李 微

(昆明理工大學，云南 昆明 650031)

0 引 言

我國經濟持續增長，基礎施設建設日益完善，人們越來越追求交通的便利與快捷，高速公路和高鐵飛速發展。相對于平原地區，在山區公路建設中，隧道建設的重要性更加不言而喻，能有效克服地形障礙，使公路路程縮短且路況平直舒緩。我國西部山區隧道修建因其地質條件復雜而困難重重，在建設過程中地質災害頻繁，很容易發生圍巖變形破壞等地質災害[1-2]，保證隧道施工安全是工程面臨的一大難題。

隧道開挖方法直接決定了隧道施工的難易程度和施工過程中的安全性[3- 4]，開挖方法又受地質條件及環境因素制約[5- 6]。本文以云縣至臨滄高速公路某一隧道為例[7]，探究在軟弱圍巖的地質背景下，通過分析圍巖的受力形態、位移等，得到最適宜此類軟弱圍巖的開挖方法。

1 工程背景

該工程位于云縣至臨滄高速公路，隧道區海拔高度介于1 197.6～2 525.3 m 之間，相對高差1 321.7 m，屬高中山構造剝蝕地貌區。研究區處于亞熱帶季風性氣候，年內雨季持續時間長，降雨量巨大。研究區內水系發育，出露地表水，地下水分為第四系孔隙水和基巖裂隙水2種類型，補給主要靠大氣降水及地表水入滲。地層巖性為粉質黏土、泥質砂巖及花崗質片巖。研究區地質構造發育，隧道進口有南汀河斷裂，出口有勐撒—曼崗山斷裂。受2條斷層的影響，研究區范圍內巖體軟弱破碎，圍巖穩定性差。

本次工程項目擬建路段地形起伏大，將隧道設計為分離式隧道。隧道左幅起點里程ZK12+600、止點里程ZK22+835，全長10 235 m，右幅起點里程K12+620、止點里程K22+830，全長10 210 m。隧道左幅最大埋深1 210.85 m，右幅最大埋深1 199.53 m，左右幅隧道累計總長20 445 m，左右幅線間距約為28～40 m。隧道洞身擬采用復合式襯砌混凝土結構。

2 研究方法

2.1 隧道開挖方法

隧道開挖過程中將對圍巖造成擾動，使得隧道圍巖應力重分布，導致隧道出現塌落、掉塊、冒頂等地質問題。為防治此類問題的出現，現場施工應選擇最適宜的開挖方法及支護措施。隧道開挖常見的方法有全斷面法、臺階法、側壁導坑法、環形法、CD法(中隔壁法)、CRD法(交叉中隔壁法)[8]。本工程從施工條件出發，結合成本、工期、施工工序，最終選定CD開挖法、環形開挖法、兩臺階開挖法對隧道進行開挖模擬及穩定性分析。3種開挖方法見圖1。圖1中，①～⑤為施工步驟。

圖1 3種開挖方法步驟示意

2.2 數值模擬

數值模擬以有限元軟件MIDAS GTS NX作為隧道工程建模分析工具，建立3種不同開挖方式對應的模型進行模擬分析。根據收集到的工程地質勘查資料，隧道模型地質參數以隧道K13+600～K13+900段的實際地質條件為準，該段圍巖分級為Ⅳ～Ⅴ級，主要由中風化花崗質片巖構成，節理裂隙較為發育，整體上呈碎石、碎塊狀碎裂結構。巖體富水性較強，經物探探測后可知屬于低電阻區，故在隧道開挖時可能會出現滴水、滲水等現象，且圍巖巖體本身自穩能力較差，在開挖過程中若支護不及時或者支護不當，則可能引起大規模的坍塌[9]。圍巖上覆地層為花崗質片巖，地表出露地層為粉質黏土。材料參數見表1。

表1 材料參數選取

隧道拱頂埋深D=55 m、高H=8.8 m、跨度B=11.7 m。整體模型尺寸為136 m×150 m×100 m，一次掘進尺寸為5 m，分30段開挖。環形法模型共13 680個單元，14 694個節點。CD法模型共13 200個單元，14 446個節點。臺階法模型共14 580 個單元，16 244個節點。選用M-C準則為數值模擬屈服準則，M-C準則作為一種經典的本構模型被廣泛應用于研究巖土體的力學性能和變形性質中。實踐證明，數值模擬時，采用M-C準則進行巖土體的受力與變形分析，得到的結果與實際情況基本一致[10]。為保證模擬計算的準確性，應盡量減少邊界約束條件對有限元計算精度的影響[11]，故對模型邊界進行定義：將位于模型頂部的大地表面設置為自由邊界，在模型前后兩側施加Y方向位移約束，左右兩側施加X方向位移約束，模型底部施加Z方向位移約束。隧道圍巖初始應力主要考慮巖層自重應力[12]。錨桿用植入式桁架、噴混用板單元進行模擬。3種開挖方法的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 研究結果分析

3.1 位移場

位移場分析主要是分析隧道開挖后豎向位移及水平位移的變化。將隧道圍巖的拱頂、拱底、左隧道左側拱腰、右隧道右側拱腰同一位置，通過3種不同開挖方式開挖后產生的位移進行比較，結果見表2。通過對比3種開挖方式產生的位移量可知：

(1)CD法開挖后隧道的橫向變形最大，其次是臺階法，環形法開挖后的拱腰收斂最小，左隧道左側拱腰橫向位移僅為0.086 cm，右隧道右側拱腰橫向位移僅為0.069 cm，而CD法和兩臺階法開挖后左隧道左拱腰處橫向位移均為0.23 cm左右，右隧道右拱腰處達到0.15 cm左右。

圖3 環形法位移云圖

圖4 CD法位移云圖

(2)3種開挖方法豎向拱底位移相差不大。環形法豎向拱頂位移僅為3.234 cm；CD法開挖后的豎向拱頂位移最大，達到3.629 cm。通過比對3種方法開挖施工后得到的豎向位移量可知，開挖時斷面產生的巖土分塊較多的開挖方法相對比較穩定，其所產生的拱頂沉降比較小。3種開挖方式拱底都出現隆起現象，這是由于開挖過程使得圍巖應力重分布以及地下水滲流引起周圍巖土體擾動。

表2 3種不同開挖方式開挖后產生的位移 cm

不同開挖方法形成的位移變化云圖見圖3、4、5(均選取開挖結束后的正面位移云圖)。從圖3、4、5可知：

(1)3種開挖方法產生的位移云圖相差不大，變形趨勢具有一致性，橫向位移在左隧洞的拱腰左側、拱頂右側和拱底右側達到最大；在右隧洞的拱腰右側、拱頂左側和拱底左側達到最大。

(2)隧道圍巖內側面產生橫向位移，向洞內收斂，雙隧道中間部分由于雙向水平應力抵消，基本沒有產生位移。在雙隧道外側，由于水平地應力與圍巖拱腰之間的夾角垂直，受應力作用相比于拱頂與拱底更明顯，隧道外側拱腰在橫向上變形量較大。

(3)豎向位移在左右隧洞的拱頂和拱底處達到最大，產生這種現象的原因是隧道拱頂和拱底的臨空面垂直于豎向應力，使拱頂和拱底的水平面與豎向應力之間的夾角為90°應力作用效果明顯，位移量大。

在進行隧道開挖時，相比于環形法和臺階法，CD法對圍巖的擾動次數較多，因此在橫向位移上CD法位移值最大。

圖5 臺階法位移云圖

圖6 環形法應力云圖

3.2 應力場

選取3種開挖方式的同一位置點進行比較，提取該點水平應力、豎向應力和最大主應力數值，結果見表3。從表3可知，采用CD法開挖引起的圍巖的水平應力比采用臺階法和環形法開挖要大，而環形法開挖后周圍圍巖產生的水平應力是最小的；CD法開挖時產生的豎向應力最小，臺階法的豎向應力最大。因此，CD法開挖所產生的最大主應力遠遠大于其他2種方法，環形法開挖產生的最大主應力最小。這是因為利用3種開挖方法開挖時，隧道涌水量各不相同，環形法自身的防水性能是3種開挖方法中最差的，而CD法最好，環形法開挖后涌水量過多，導致圍巖內部孔隙水壓力減少，從而導致了隧洞洞口周圍圍巖應力的減少。

表3 不同開挖方法產生的應力 kPa

3種不同開挖方法形成的應力云圖見圖6、7、8，從圖6、7、8可知：

(1)3種不同開挖方法形成的應力云圖形狀相差不大，只是應力大小不同，而且3種開挖方法產生的應力都集中于隧道開挖面附近，說明隧道開挖后，在隧道洞口出現了應力集中現象。

(2)通過水平應力云圖可知，3種方法開挖后都在拱底處出現應力集中現象，其他地方在水平方向上應力釋放比較充分。在雙隧道中間部分，隧道開挖后分布在圍巖中的應力出現變化，在應力重分布的作用下產生應力集中，應力增加較為顯著，所以此處在水平方向上基本沒有產生位移。

(3)通過豎直應力云圖可知，3種方法產生豎向應力的位置都是一致的，但環形法相比于其他2種方法應力值范圍更小，應力釋放更為充分，特別是在拱頂和拱底處，與其他2種方法開挖后產生的應力值相比，差距十分明顯。

圖7 CD法應力云圖

圖8 臺階法應力云圖

圖9 塑性區云圖

通過對比水平方向和豎直方向上的應力變化發現，采用臺階法進行施工時，應力值變化范圍大，采用環形法和CD法進行施工時，應力值變化范圍較小。從應力角度考慮，采用環形法或CD法開挖比采用臺階法更有利于隧道的穩定。

3.3 塑性區

隧道開挖后，3種不同開挖方法形成的塑性應變云圖見圖9。從圖9可知，大應變區集中在拱底及隧道側壁底部。3種開挖方法產生的塑性應變云圖圖形有所區別，CD法與臺階法產生的塑性應變區域在隧洞的左右兩側及拱腳處，而環形法產生的塑性應變不僅位于隧洞兩側及拱腳處，同時還位于拱頂上方。但CD法和臺階法在拱腰和拱底產生的塑性應變值比環形法大，且臺階法最大。從塑性應變區來看，環形法要比CD法和臺階法更加穩定。

4 穩定性分析

將MIDAS GTS NX中建好的模型運用FPNtoFLAC3D.exe格式轉換應用程序，使從MIDAS GTS NX中輸出的FPN格式的文件轉換為flac3d格式的文件，再將其導入到FLAC 3D 5.0中，計算3種不同開挖方法開挖后隧道的安全系數。

由強度折減法計算出來的CD法、環形法、臺階法的安全系數分別是1.80、1.81、1.78，說明CD法和環形法相對于臺階法圍巖的穩定性更加好，而CD法比環形法略差一點。因此，環形法相比于CD法和臺階法，更適合此類軟弱圍巖隧道的開挖。

5 結 語

本文基于云南云縣至臨滄高速公路中某隧道，選取了CD法、環形法和臺階法3種開挖方法，建立有限元模型，進行軟弱圍巖的位移、應力、塑性應變分析，得出以下結論：

(1)從位移變化來看，環形法的拱頂沉降和橫向拱腰位移是最小的，CD法的拱頂沉降是最大的。從應力角度看，CD法的應力比其他2種方法都要大，環形法開挖后周圍圍巖應力是最小的。從塑性應變角度看，環形法產生塑性應變的位置與CD法和臺階法不同，不僅位于隧洞兩側及拱腳處，同時還位于拱頂上方，但CD法和臺階法產生的應變值大于環形法。

(2)采用強度折減法對3種開挖方式進行計算，結果顯示，環形法安全系數是最大的，其次是CD法，最后是臺階法。

(3)綜合考慮地質條件、施工條件和施工安全等情況，并結合3種開挖方法對比結果得出，在軟弱圍巖隧道開挖中，環形法相比于其他2種方法更合適。