軟巖大斷面隧道施工變形控制研究

摘要：以某隧道工程為研究背景，通過有限元分析軟件ABAQUS進行數值模擬，探討了隧道圍巖在三種施工方法以及隧道是否施作底板時的位移和應力變化情況，為V級圍巖中全斷面法的應用提供理論支持，進一步確保隧道施工控制的安全性。從結果上看，以全斷面法進行隧道施工時，圍巖位移和應力均在允許值以下，需設置對應的超前支護措施，確保隧道施工時圍巖的穩定性。

關鍵詞：隧道施工；變形控制；全斷面法；有限元分析

0" "引言

在隧道的施工控制中，軟弱圍巖段往往是關鍵部位[1]。如何確保隧道圍巖穩定并使施工進度有所提升，是施工時需要考慮的關鍵問題。為使隧道施工更加快捷且安全，常以全斷面法替代原有設計的短臺階法。但隧道在采用全斷面法進行施工時的應力和位移等是否滿足要求，初期支護是否需要強化等，都是施工人員需要重視的問題[2]。從隧道施工安全的角度考慮，對上述問題開展研究時非常有必要的。

1" "有限元分析

某隧道工程長度5360m，埋深最大值439m。隧道進口路段有9m的明洞，而其圍巖等級分別為III、IV和V級。采用有限元分析軟件ABAQUS對其進行建模分析，隧道上覆土層壓力為2.5×106Pa。約束水平方向的兩側邊界位移，約束隧道底部的豎向位移，以單向約束隧道前后。在隧道初期支護中，錨桿用于發揮錨固作用。在有限元模擬時，使用三維桿單位T3D2對錨桿進行模擬，通過C3D8R實體單元模擬襯砌和圍巖。該模型包含48823個單元和49461個節點，如圖1所示。

2" "不同開挖方法比選分析

模擬分析對比常見的三種隧道施工方法，整理所得的襯砌等應力數據，再比選分析施工方案，結合現場實際選取V級圍巖的最佳開挖方式。

2.1" " 圍巖位移分析

2.1.1" "各控制點圍巖位移

因存在對等的開挖斷面以及邊界條件，拱頂和底板圍巖所出現的變形主要為豎向位移，僅有較小的水平位移，且方向朝向隧道里。邊墻圍巖變形主要為水平位移，僅有較小的豎向位移。拱腳以及墻腳圍巖的變形既包括水平位移，也包括豎向位移。其原因在于自重應力條件下拱頂圍巖出現朝向洞內的變形，而拱腳、邊墻和墻腳位置的圍巖還需要承受側向壓力，底板圍巖因無法進行水平移動而表現為豎向位移。若有底板時，其豎向位移也會被約束。

不同的隧道開挖方式，對于圍巖的水平和豎向位移會造成不同的影響。圍巖在全斷面法施工時所產生的水平和豎向位移較大，預留核心土法施工時的圍巖變形最小，表明圍巖位移在較小的開挖斷面時較小。及時施作支護可使圍巖變形得到有效減小，在較差圍巖等級下，通過采取不同的施工方法可使圍巖位移得到有效減小。

開挖隧道之后，位移變形與底板初期支護的施作與否有較大關系[3]。施作底板后墻腳水平位移不斷減小，說明對于圍巖水平位移而言，施作底板初期支護能使其得到較大程度的降低，并且使其他區域圍巖位移得到一定程度的減小。此外，相比于施作底板初期支護的方式，改變開挖方式對圍巖水平位移所產生的影響較小。

圍巖控制點位移如表1所示。由表1可知，通過預留核心土的方式進行施工可以使圍巖水平位移和豎向位移得到有效的減小。但若墻腳在采用該種施工方法施工水平位移仍然較大，則可采用施作底板初期支護的方式進行控制。

增加斷面尺寸可能會導致圍巖地質模式出現改變，使其從整體分散成為塊狀，因此減小開挖斷面對于圍巖等級而言有一定提高。全斷面法施工相比于其他的開挖方法，圍巖有較大變形，且該施工方法施工時底板處圍巖存在最大的豎向位移。在研究圍巖底板的變形時，因當前尚未定義何為大變形，故基于施工經驗，給出判定軟弱圍巖大變形的標準。

鐵道路第二勘察設計院提出，在隧道施工并進行初期支護的施加之后，單線隧道支護結構出現130mm以上變形量、雙線隧道支護結構出現250mm以上變形量，即為大變形。張祉道提出，開挖隧道并進行初期支護之后，因圍巖地應力較大導致支護結構被破壞，且支護變形與跨度比值在1.5%以上，即大變形出現在隧道圍巖[4]。以上述定義為基礎，結合數值模擬情況和現場支護情況進行分析，隧道在通過全斷面法施工時所出現的變形為正常變形，可通過全斷面法進行V級圍巖隧道的施工。

2.1.2" "施作初期支護底板對圍巖位移的影響

全斷面法施工時的圍巖位移如圖2所示。由圖2可知，因開挖斷面存在對稱形狀和邊界條件等，因此以一半作為研究對象。對圍巖水平和豎向位移而言，采用全斷面法施工是否進行底板初期支護存在較大影響。以斷面豎向位移的角度進行分析可知，拱部、邊墻和底板處分布存在圍巖豎向位移，且分別呈現出拱部下沉、墻腳和底板隆起現象。底部和拱部有較大的豎向位移，邊墻有較小的豎向位移，對圍巖豎向位移來講，底板初期支護的施作與否的影響不大。

拱部以下和邊墻存在較大的水平位移，拱頂及底板則存在較小的水平位移。底板初期支護施加之后，墻腰到墻腳水平位移小幅度降低，說明底板初期支護的施作，能夠使圍巖水平位移有所減小。而通過臺階法或預留核心土法施工，圍巖變形和底板施加與否的影響與全斷面基本一致，在此不再贅述。

2.1.3" "同一斷面不同施工方法對圍巖位移的影響

同一斷面三種開挖方法引起的施工變形如圖3所示。由圖3可知，圍巖的水平和豎向位移受到施工方式的影響較大。相同的施工方法中，豎向位移的變化規律為先增加后減小再增加，且相比于拱頂位置，底板處圍巖豎向變形更大，通過全斷面法施工的隧道存在較大的豎向位移。施工方法相同時，水平位移的變化規律為先增加后降低，且邊墻圍巖存在較大的水平位移，通過全斷面法施工的隧道存在較大的水平位移。

2.2" " 圍巖應力分析

圍巖應力變化如表2所示。由表2可知，不同施工方法下，圍巖應力最大值和最小值在不同施工方法下的差距較小，且第一和第三主應力均為壓應力，即對于圍巖應力而言，開挖方式的不同所造成的影響較小。采用全斷面法施工時，底板初期支護是否存在的影響較小，即施工隧道后的圍巖應力受施工方法的影響較小。

2.3" " 軟弱圍巖施工方法對比

各施工方法對比如表3所示。由表3可知，地質條件和施工技術要求不同時需針對性選擇開挖方式。如圍巖等級較高且對工期要求不高，通過全斷面法進行施工更為合適。但采用該種方法進行施工之后的圍巖變形較大，隧道穩定性較差，有較大的地表沉降量。在一般圍巖等級條件下，若對施工工期要求較低，通過臺階法施工更為合適。該施工方法下的圍巖變形較小，穩定性較高，沉降量較大。對于較差圍巖等級下的隧道，通過預留核心土的方法進行施工效果更好。該種方法施工后的隧道變形較小，穩定性較高，地表沉降較小。

隧道的圍巖和應力雖然在使用全斷面法施工時有較大值，但該種施工方法所需工期較短，這在具體項目施工是非常重要的[5]。理論上，臺階法和預留核心土的方法可在V級圍巖中進行施工。通過超前支護措施，蘇家巖隧道V級圍巖仍然可通過全斷面法進行施工。

針對上述模擬分析結果可知，隧道的圍巖位移和應力在通過全斷面法施工之后均在允許范圍內，為此在數值模擬分析的基礎上認為，通過全斷面法進行V級圍巖的施工是可行的。

3" "結語

本文以某隧道工程為研究背景，通過有限元分析軟件ABAQUS進行數值模擬，探討了隧道圍巖在三種施工方法以及隧道是否施作底板時的位移和應力變化情況，為V級圍巖中全斷面法的應用提供理論支持。通過分析，得到如下結論：

隧道開挖后的邊墻存在最大的水平位移，底板存在最大的豎向位移。隧道在通過全斷面法施工后出現最大的圍巖變形和初期支護應力，而采用預留核心土的施工方法所得的數據則最小。墻腳水平位移可通過施加底板初期支護進行有效抑制。

通過全斷面法進行施工時存在最大的圍巖位移和應力，但均在可控范圍內，表明通過全斷面法施工具有一定的可行性。通過全斷面法進行隧道的開挖具有較高機械化程度、較快的施工速度等其他方法沒有的優勢，因此在該隧道V級圍巖中，為縮短工期，選擇以全斷面法進行施工。

通過全斷面法進行V級圍巖隧道施工時，鑒于隧道掌子面在施工后的穩定性較差，施工時必須進行超前支護，以對掌子面前的圍巖進行強化，確保圍巖穩定。

參考文獻

[1] 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011：67-104.

[2] 豐正偉，劉新榮，傅晏，等.軟弱結構面對隧道圍巖穩定性的影響研究[J].地下空間與工程學報，2009， 5（4）：745-749.

[3] 趙正權，羅俊財，徐小敏，等.某隧道圍巖穩定性有限元數值分析[J].地下空間與工程學報，2009， 5（S1）：1285-1288.

[4] 龔曉南.對巖土工程數值分析的幾點思考[J].巖土力學，2011，32（2）： 321-325.

[5] 張祉道.關于擠壓性圍巖隧道大變形的探討和研究[J].現代隧道技術，2003，40（2）：5-12.