深部軟弱圍巖隧道開挖方法數值比選研究

張書國 ZHANG Shu-guo；賀永勝 HE Yong-sheng；戴嶺 DAI Ling；袁小虎 YUAN Xiao-hu

（①中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102600；②軍事科學院國防工程研究院，洛陽 471023）

0 引言

深部地下工程軟弱圍巖在施工過程中極易引發持續大變形、大體積塌方等不良災害，因此，有必要對其誘發機制進行研究，其中開挖方法是導致眾多大變形災害的一項重要因素。隧道開挖過程中對圍巖造成擾動，使圍巖應力重分布，導致隧道出現坍塌、掉塊、冒頂、持續大變形等不良問題，嚴重影響隧道施工安全性，合理的開挖方法對于軟弱圍巖隧道的安全穩定性具有重要作用，因此，急需尋找合適的隧道開挖方法。

針對開挖方法的選擇，廣大專家學者進行了大量研究，王偉鋒[1]以廣福隧道為例，采用FLAC3D模擬了全斷面法、短臺階法、單側壁和雙側壁導坑法四種工法下隧道圍巖位移及塑性區的變化特點，進而選擇合理的開挖工法，提高安全可靠性；汪小敏[2]以白炭塢隧道為例，采用數值模擬的方法研究了全斷面開挖和上下臺階法對隧道圍巖變形的影響；王樹仁[3]研究了高地應力軟巖隧道導硐式擴刷開挖與全斷面開挖的變形效應并進行比對分析，優化了開挖方案，并得到了現場驗證；孫歡歡[4]針對炭質板巖隧道，運用FLAC3D模擬了不同開挖方法影響下的地層變形規律，認為三臺階七部開挖法為最經濟高效的開挖方法，該開挖方法下隧道圍巖變形量、塑性區分布以及單元安全系數均在合理的范圍內；耿招[5]采用FLAC3D對三臺階法和雙側壁導坑法的開挖過程進行了模擬，認為雙側壁導坑法更能有效控制圍巖變形和塑性區發展；郭小龍[6]通過分析優化成蘭鐵路千枚巖隧道的開挖方法，認為應優化隧道斷面，盡量采用大斷面開挖。

隧道開挖方法直接決定了隧道施工的難易程度和安全可靠性，本文基于有限差分數值軟件，選擇CRD法、三臺階七部開挖法和三臺階法3種不同的開挖方法建立數值計算模型，輸出模擬結果，分析其位移變化規律，為開挖方法的選擇提供理論指導。

1 數值模擬

1.1 數值計算方法

本文數值計算采用FLAC3D有限差分數值軟件，它基于拉格朗日差分算法，能夠準確模擬塑性流動、軟化、屈服及大變形，在復雜的巖土工程數值分析中具備顯著的優勢，但其建模以及單元網格劃分等問題中仍舊存在一定困難，為此，將不同開挖方法斷面進行簡化，并采用內置建模命令以及Extrusion網格拉伸工具進行合理建模，以模擬動態施工。

1.2 隧道開挖方法

對于深部地下隧道工程常用的開挖方法有全斷面開挖法、CRD法（交叉中隔壁法）、CD法（中隔壁法）、三臺階七部開挖法、三臺階法和上下臺階法等。本文擬尋找適合于深部軟巖隧道的開挖方法，考慮軟弱圍巖所處工程地質條件，選取CRD法（交叉中隔壁法）、三臺階七部開挖法和三臺階法3種方法進行數值模擬，分析其位移變化規律。

1.3 建立模型

計算模型尺寸為50m×50m×20m，隧道橫斷面為直墻拱，埋深1200m。根據隧道埋深1200m，將隧道上覆地層（γ=25kN/m3）重力換算成地應力（σ1=30MPa）施加在計算模型上部邊界（z=25m）上，模型上部為自由邊界，下部（z=-25m）為固定邊界，模型左、右（x=±25m）、前后（y=0、y=20m）邊界施加位移約束，并且施加水平地應力σ2=σ3=45MPa。一次開挖進尺2m，一次進尺加施作初期支護為一循環。不同開挖方法支護措施僅考慮初期支護作用的影響，故僅將圍巖力學參數進行替代，從而近似模擬初期支護的作用。各材料物理力學參數如表1所示。根據不同開挖方法建立對應數值計算模型并進行分組，如圖1所示，其中三臺階七部開挖法分組情況如圖2所示。隧道各個工法開挖步驟如表2所示。

表1 隧道力學參數

表2 隧道各個工法開挖步驟

圖1 數值計算模型

圖2 三臺階七部開挖法分組情況

2 不同開挖工法變形規律分析

對于深部地下工程開挖前，地下工程巖體處于穩定的應力平衡狀態，隨著開挖擾動的影響，其打破了原來的應力平衡狀態，使得圍巖形成臨空面，圍巖內部重新平衡并進行應力重分布，重分布下的應力導致圍巖發生沉降、隆起等破壞。提取拱頂監測點，輸出四次開挖步驟對應沉降位移值與對應應力云圖進行分析，三臺階法、CRD法、三臺階七部開挖對應步驟應力云圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 三臺階開挖法圍巖變形云圖

圖4 CRD開挖法圍巖變形云圖

圖5 三臺階七部開挖法圍巖變形云圖

2.1 三臺階法由圖3可知，三臺階工法下各個步驟的圍巖最大沉降量分別為67.1mm、117.3mm、167.1mm、167.2mm，圍巖最大隆起量分別為212.7mm、321.5mm、327.2mm、251.8mm。特別的輸出拱頂監測單元沉降值進行分析：第一次上臺階開挖拱頂沉降值為59mm；第二次上臺階開挖拱頂沉降值為96mm，較第一次增長了62.7%；第三次上臺階開挖拱頂沉降值為133mm，較第二次增長了38.4%；第四次下臺階開挖拱頂沉降與仰拱隆起值分別為142mm、32.4mm，拱頂沉降較第三次增長了6.8%。隨著上、中、下三臺階的開挖，拱頂沉降數值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

2.2 CRD法由圖4可知，CRD工法下各個步驟的圍巖最大沉降量分別為100.6mm、192.3mm、198mm、209mm，圍巖最大隆起量分別為171.2mm、159.8mm、246mm、237mm。為更精確分析位移變化情況，輸出拱頂監測單元沉降值進行分析：第一次左側上臺階開挖拱頂沉降值為74mm；第二次左側下臺階開挖拱頂沉降值為140mm，較第一次增長了89.2%；第三次右側上臺階開挖拱頂沉降值為161mm，較第二次增長了15%；第四次右側下臺階開挖拱頂沉降值為168mm，拱頂沉降較第三次增長了4.3%。隨著交叉中隔壁開挖工法的向前推進，拱頂沉降數值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

2.3 三臺階七部開挖法由圖5可知，三臺階七部開挖工法下各個步驟的圍巖最大沉降量分別為56.6mm、108.5mm、154.2mm、157.7mm，圍巖最大隆起量分別為188.5mm、294.8mm、348.3mm、283.8mm。為更精確分析位移變化情況，輸出拱頂監測單元沉降值進行分析：第一次左側上臺階開挖拱頂沉降值為45mm；第二次左側下臺階開挖拱頂沉降值為80mm，較第一次增長了77.7%；第三次右側上臺階開挖拱頂沉降值為112mm，較第二次增長了40%；第四次右側下臺階開挖拱頂沉降值為119mm，拱頂沉降較第三次增長了6.3%。隨著交叉中隔壁開挖工法的向前推進，拱頂沉降數值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

三種工法的不同開挖步驟下，由于圍巖最大隆起位置均不相同，且大多數隆起位置不在隧道拱底，因此此處僅考慮拱頂沉降進行分析。提取上述不同開挖步驟的拱頂沉降數值如表3所示，三臺階七部開挖法無論是在初始變形、最終收斂變形還是隨著開挖步驟的位移變化幅度均優于其他兩種開挖工法。

表3 不同開挖工法下的拱頂沉降變化規律mm

為了更好地說明各個開挖工法對于深部軟弱圍巖拱頂位移穩定性的影響，提取距掌子面后方2m對應部位監測點位移情況作為拱頂沉降位移變化情況進行分析，其變化規律如圖6所示。

圖6 不同開挖工法下拱頂沉降隨開挖步變化曲線

由圖6可知，三種開挖工法下拱頂沉降隨開挖步的變化規律相似，均經歷了開挖初步變形階段、變形階段、變形收斂階段3個階段；在任一個階段內，三臺階七部工法的變形均最平緩，可認為該方法對此深部地下工程圍巖穩定性的影響最小。

3 結論

本文基于深部軟弱隧道圍巖，選取CRD法、三臺階七部開挖法和三臺階法三種開挖方法，建立FLAC3D數值計算模型，分析了不同開挖工法下的位移變化規律，結論如下：①由不同開挖步驟下拱頂沉降數值以及隨開挖步變化曲線可知，三臺階七部開挖工法在初始變形、最終收斂變形以及變形幅度等方面均最優，可認為對此深部地下工程圍巖穩定性的影響最小。②由變形規律曲線得出，圍巖變形階段可劃分為初步變形階段、變形階段、變形收斂階段3個階段，對于不同地質條件的深部地下工程開挖，可根據具體支護結構、支護效果選擇具體變形階段進行分析，以選用更合理的開挖方法。