隧道地質條件對開挖變形的影響及臺階法施工數值模擬優化分析

趙帥 徐新興 劉鵬

摘要：佛嶺隧道地處軟弱圍巖條件，采用臺階法施工，其開挖過程的變形情況關系著隧道的穩定性。采用 MIDAS/GTS 軟件對佛嶺隧道施工過程中的變形情況進行數值模擬，得到兩種進尺情況下不同開挖階段軟弱圍巖的變形情況，論證了隧道開挖施工方案的合理性。結果表明：采用臺階法預留核心土施工，該隧道安全可靠。

關鍵詞：軟弱圍巖；數值模擬；變形分析

中圖分類號：U452.2+7文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0170-04

Theinfluenceof tunnelgeologicalconditionsonexcavationdeformationandtheoptimizationanalysisof numericalsimulationof stepmethodconstruction

ZHAO Shuai1， XU Xinxing2， LIU Peng3

（1. Shanxi Institute of Economic Management，Taiyuan 030024，China;

2. Taikang Health Industry Investment Holding Co.， Ltd.，Beijing Branch， Beijing 100020，China;

3. China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China）

Abstract： The Fouling Tunnel is located in weak surrounding conditions and is constructed using the step method. The deformation during the excavation process is related to the stability of the tunnel. This article uses MIDAS/GTS software to numerically simulate the deformation of the Fouling Tunnel during construction，and obtains the defor? mation of weak surrounding rock at different excavation stages under two different footage conditions，demonstrat? ing the rationality of the tunnel excavation construction plan. The results indicate that using the step method to re? serve core soil for construction is safe and reliable for the tunnel.

Keywords： weak surrounding；numerical simulation；deformation analysis

軟弱圍巖隧道開挖工程中變形大小對隧道穩定性及安全性至關重要，也是目前研究隧道變形的一個熱點話題，眾多學者對軟弱圍巖大斷面隧道開挖方式進行了探討，使用數值模擬方法，為軟弱地層中的隧道開發提出了合理的建議。對于臺階法隧道開挖的研究，數值模擬基于計算機強大的計算能力已成為主要的分析手段。針對分別使用FLAC 3D、 MIDAS/GTS 軟件對不同工程的隧道開挖進行了數值模擬[11-14]，為施工中選擇合理的開挖方式提供了模擬，輔助選定了最佳的隧道開挖方式。本文以佛嶺隧道為例，對軟弱圍巖條件下新奧法施工的開挖方式進行了數值模擬，為實際開挖方式提供了合理的建議。

1 工程概況

佛嶺隧道位于五臺縣陳家莊鄉至盂縣梁家寨間佛嶺處，是一座雙向4車道分離式隧道，隧道寬為10.5 m，高5.0 m。隧道左線全長8803 m，右線全長8805 m。本文以左線隧道為對象進行研究，隧道進口位于移城河南岸二級階地上，覆蓋土層為黃土，屬于較平緩地勢；隧道出口位于牛道溝西岸斜坡處。隧道圍巖以黃土、殘破積碎石、泥質巖等軟弱巖體為主；隧道所處地區的降水量小，雨季最高水位較隧道路面低0.5 m，同時，路徑的地表水系對擬建隧道影響不大。

隧道施工基于新奧法原理，對該隧道的施工開挖方式采用臺階法施工，擬采用上、下半斷面的形式進行開挖成型，為控制隧道地層變形，主洞采取“超前小導管周邊注漿加固”、“環形開挖預留核心土”、“長管棚超前支護”的方法，具體如圖1所示。如此便可從經濟和安全的角度能夠最大程度上保障隧道開挖穩定性。

為進一步探究隧道黃土化學成分，利用XRD 分析隧道黃土化學礦物成分。為了全面分析試樣的元素組成，選擇了大布拉格角（29）10°～90°和0.13°/s 的掃描速率，使用Ni 濾波，電壓30 kV，電流30 mA，掃描速度6°/min，溫度22℃ ，試驗結果如圖2所示。

從圖2可以看出，土壤中的主要非粘土礦物仍然是石英、方解石和長石，且非粘土礦物成分含量占比較大。而主要的粘土礦物是伊利石和綠泥石。

2 有限元分析

基于計算機的強大計算能力和巖土本構研究的發展，通過有限元數值模擬的方法能夠更為有效的通過試驗分析隧道開挖過程中的應力、位移、塑性區等的變化情況。目前研究中使用的有限元軟件以 FLAC 3D 和 MIDAS/GTS 為主流，本文主要使用 MI? DAS/GTS 軟件對佛嶺隧道開挖過程進行工況模擬，進而分析其變形情況并判斷隧道穩定性[15-18]。

2.1數值模型建立

基于MIDAS/GTS軟件對佛嶺隧道開挖過程工況進行模擬分析。本文軟弱圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性模型，襯砌結構采用線彈性模型。

在力學參數方面，開挖過程以釋放荷載的形式體現在模型中，研究僅考慮自重荷載作用下的初始應力大小。根據施工圖紙，結合新奧法施工的特點，二次襯砌前，圍巖及初次支護結構已然承受了釋放出的荷載，故而可假定二次襯砌結構不受力。結合佛嶺隧道軟弱圍巖的地質情況，判定圍巖類型為Ⅴ級，其荷載釋放分配比例按照圍巖承擔20%、初次支護結構承擔80%進行分攤。

考慮到MIDAS/GTS 具有初始位移自動清零的功能，可以避免在分析變形時初始位移對于變形分析的干擾，因此在設置初始應力場能夠按照初始自重應力形成應力場，對其后的變形分析影響不大。由于佛嶺隧道屬于淺埋隧道，因此在設置圍巖參數時以實際勘察資料為準即可。

在支護結構的模型建立中，按照表1的設計要求建立支護結構的數值模型，其具體參數如表2所示，最終建立的隧道及支護結構三維模型分別如圖3、圖4所示。

2.2 工況設置

按照圖1所示的開挖過程，在 MIDAS/GTS 中設置荷載釋放不同階段，形成了不同的工況；具體如表3所示。

3 變形結果分析

由于隧道是一個縱向長度遠大于水平尺寸的模型，因此可以視為平面應變問題進行分析。基于不同工況的模擬，得到了不同的位移云圖，進而得以判斷該隧道開挖過程中的位移場變化情況[19-20]。

3.1 上環形臺階開挖階段

通過計算，得到上環形臺階開挖階段的水平位移及豎向位移云圖，具體如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，該開挖階段，拱頂沉降明顯，且集中于拱頂周邊，其位移數值隨著距離拱頂的長度越遠呈現衰減，且衰減形態呈現出扇形的擴散狀。該形態進一步說明在上環形臺階開挖中拱頂的脫離區存在的客觀性。從圖5（b）可以看出，該階段拱腳周邊的水平位移較大，但不足拱頂豎向位移的二分之一，說明拱腳處的約束作用明顯，其抗力區開始發揮作用。同時，從圖5（a）還可以看到，核心土處出現明顯的向上隆起，達到27.4 mm；但對于隧道底部設計標高而言影響較小，說明采用保留核心土的開挖方式可以減輕開挖初期對隧道設計底部標高處的變形影響。

3.2 核心土開挖階段

通過計算得到的核心圖開挖階段的位移云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，該階段的位移云圖分部呈現出與上環形臺階開挖階段相同的特征。從計算數值上看，拱頂的豎向位移增加到2.89 mm，較前一階段增加了0.35 mm；而拱腳周邊的水平位移數值較前一段的增量為0.6 mm，說明核心土開挖對于拱頂的最大沉降的影響陡然下降。核心土底部隆起方面，新增隆起量為0.63 mm，變化與拱腳水平位移接近，說明該階段對隧道圍巖拱腳及底部的變形影響大于拱頂的影響；但總體而言較前一階段變化不大。

3.3 下臺階土開挖階段

下開挖階段，拱頂豎向位移增量為0.46 mm，拱腳水平位移增量為0.27 mm，其分部情況大體與前2階段相同，從數值增量來看，雖然圍巖整體的位移增量變化不大，但豎直位移增量明顯大于水平位移增量。坑底隆起位移為3.48 mm，達到開挖以來的最大值。下臺階開挖階段位移云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，通過不同階段的位移云圖對比分析，可以得到隧道圍巖變形的最大值為拱頂沉降，其值達3.36 mm；其次是圍巖底部隆起，其值達3.49 mm。而水平位移最大值為2.05～2.13 mm，這與新奧法施工中隧道圍巖的脫離區與抗力區的分布理論相一致，同時也指導施工中監測重點要更多關注拱頂及底部位移。

整體分析隧道開挖過程，上環形土體開挖階段的豎向位移變形量占據總變形量的78.5%，是監測中重點關注的開挖階段。

4 結語

本文通過建立佛嶺隧道左線隧道的有限元模型，定義3個階段的施工過程，對軟弱圍巖條件下的隧道開挖進行了模擬，根據數值分析結果得到以下結論：

（1）采用臺階法保留核心土的開挖方式中，上環形土體開挖的變形最為顯著，應當在新奧法施工中加強監測頻率；

（2）各開挖階段的沉降值都明顯大于收斂值，故而軟弱圍巖隧道開挖中控制沉降值更為關鍵。

（3）選擇進尺越小，軟弱圍巖隧道開挖后的沉降值及收斂值越小，在考慮開挖方案時如遇變形超過限值時，減小進尺長度是一項有效措施。

（4）通過各開挖階段的數值模擬分析，佛嶺隧道采用超前小導管注漿加固、臺階法預留核心土的開挖方式能夠確保軟弱圍巖的變形在可控范圍之內，其施工方案安全合理。

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