不同開挖方案下隧道圍巖穩(wěn)定性及變性特征分析

刁心宏，朱 陳，于 洋

（華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013）

不同開挖方案下隧道圍巖穩(wěn)定性及變性特征分析

刁心宏，朱 陳，于 洋

（華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013）

不同的開挖進尺會引起隧道相應的圍巖位移變化,圍巖位移超過容許值將會影響隧道的安全性。以長茂山雙車道淺埋隧道為例，采用有限元軟件ABAQUS對臺階法不同開挖進尺條件下的隧道施工進行三維數(shù)值模擬，從位移及應力兩方面來分析臺階法不同開挖進尺的圍巖變化規(guī)律。研究表明：圍巖位移變化主要在拱頂及拱頂附近且側拱兩側位移曲線呈對稱分布；圍巖的最大位移變形量隨開挖循環(huán)進尺增大而相應增大，當開挖進尺增大到6 m后，圍巖發(fā)生最大位移增長滯緩；圍巖豎向位移和拱頂應力隨開挖進尺變化的規(guī)律可以采用Logistic增長函數(shù)進行擬合；提出了循環(huán)開挖進尺為4 m的合理施工方法。

開挖進尺；淺埋隧道；變形量；數(shù)值分析

隧道以直線代替曲折的道路來縮短行車里程，減少事故的發(fā)生廣泛在山區(qū)公路、鐵路建設之中應用。無論是在公路建設還是在鐵路建設中，隧道的安全性都是工程師關注的重點。與其他工程相比，例如由簡小材料等構成的構件在荷載作用下的力學行為可以得到解析解不同，隧道問題的解決方法在某種程度上還依賴于經(jīng)驗方法[1]。

隧道開始施工時，通常由現(xiàn)場工程師根據(jù)工程經(jīng)驗來確定開挖進尺[2]。不同的開挖進尺會引起隧道相應的圍巖位移變化,圍巖變形超過容許值將會影響隧道的安全性。同時，隧道開挖采用小進尺會使建設成本和施工時間增加，進尺過大則會降低隧道的安全性。目前，在隧道開挖過程中，對循環(huán)進尺的研究并不多見，因此，既能保證施工進度又具有穩(wěn)定性的開挖進尺,是較為重要的研究課題。

現(xiàn)場監(jiān)測是隧道圍巖位移規(guī)律最直接簡單的研究方式，但它需在隧道開挖后得到相應數(shù)據(jù)才能進行，不能在隧道開挖前反映圍巖位移規(guī)律[3-4]。現(xiàn)有數(shù)值分析研究大多以二維平面應變?yōu)橹鱗5-6]，不能模擬隧道施工過程的空間效應，而這對隧道開挖過程的穩(wěn)定性影響至關重要[7]。采用三維數(shù)值分析可以彌補二維平面應變數(shù)值分析的不足[8]。其中，Young-Zoo Lee[9]根據(jù)PFC3D數(shù)值分析軟件推出了確定軟巖隧道開挖進尺的方法。梅洪斌[10]采用三維有限方法，對隧道圓形襯砌采用管棚法加固后的各施工階段進行了分析研究，尋求合理的開控進尺。本文以長茂山隧道工程為例，利用ABAQUS軟件對臺階法隧道施工掘進過程進行有限元模擬，從位移及應力兩方面來分析臺階法不同開挖進尺的圍巖變化規(guī)律。在隧道開挖前無法利用現(xiàn)場監(jiān)測收集圍巖變形量，利用數(shù)值分析得到臺階法不同開挖進尺的圍巖位移值，與容許極限位移值相較，提出隧道最佳開挖進尺。

1 工程概況

長茂山隧道位于黔張常鐵路站前工程QZCZQ-7標段，為雙車道高速鐵路隧道，Ⅲ級圍巖約占全隧道的83.4%，近3 905 m，開挖最大跨度12.7 m，隧道高度為8 m，橫斷面面積111.53 m2，隧道埋深為10～18 m。隧道沿線主要出露巖性為頁巖，工點范圍內(nèi)無斷層構造，隧址區(qū)內(nèi)地下水豐富，DK188+820～DK193+504段正常涌水量3 852 m3/d，最大涌水量11 556 m3/d。按新奧法原理組織施工，根據(jù)圍巖情況，開挖Ⅱ級圍巖段采用全斷面法施工,Ⅲ、IV級圍巖段采用臺階法施工，V級圍巖硬巖地段采用三臺階臨時橫撐法施工。

2 數(shù)值分析計算模型

2.1 計算模型與參數(shù)

根據(jù)隧道設計資料，隧道斷面跨度B為12.7 m，高度H為8 m。一般來說，隧道開挖對圍巖位移影響范圍為距隧道中心3到5倍開挖寬度[11]。計算模型橫截面方向120 m，豎直向上取至地表以下25 m，豎直向下取25 m。模型左右兩側為水平約束，底部為固定約束，頂部為自由。隧道淺埋，巖體初始應力場僅考慮自重應力。有限元網(wǎng)格細化圖見圖1。

為使計算模型簡化，以均質地層來建模分析。隧道地質條件為各向同性地層，采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來模擬分析圍巖的塑性變形。為保證計算精度與計算時間，將模型中隧道及附近區(qū)域土體網(wǎng)格劃分較細，單元邊長為0.5 m，較遠處劃分稍微增大至2 m。計算模型共劃分97 876個單元。由于隧道下部地下水豐富，編輯圍巖材料時，考慮滲透性，設定初始孔隙比e為0.18。圍巖物理力學參數(shù)由室內(nèi)試驗獲取，考慮到所取巖層的尺寸效應，對室內(nèi)試驗取得的數(shù)值進行了適當折減。數(shù)值分析中采用的圍巖物理力學參數(shù)見表1，隧道襯砌為復合襯砌，相關參數(shù)見表2。

圖1 有限元網(wǎng)格細化圖Fig.1 Finite element mesh refinement

表1 巖層物理力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock

表2 隧道支護系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Tunnel support system

2.2 計算工況

隧道Ⅲ級圍巖約占全隧道的83.4%，故模擬Ⅲ級圍巖開挖方案，采用臺階法并考慮了開挖進尺為1，2，4，6，8，10，12，14 m共8種工況，研究的目標橫斷面位于模型正中央。施工過程如下：①上半斷面開挖→②上半斷面進行支護→③下半斷面開挖→④下半斷面進行支護→⑤二襯。重復開挖過程，直至開挖結束，開挖過程見圖2。

2.3 結果分析

臺階法開挖過程中，目標橫斷面上的圍巖豎向位移云圖如圖3所示。

圖2 臺階法施工工藝流程Fig.2 Construction process of the step method

從數(shù)值模擬結果初步可以看出：圍巖豎向變形主要分布在拱頂及拱底附近。從位移量大小來看，在臺階法施工過程中，隨著開挖循環(huán)進尺在一定范圍內(nèi)的增大，圍巖位移響應相應增大。

圖3 不同開挖進尺的圍巖豎向位移特征Fig.3 Characteristics of the vertical displacement of surrounding rock at different excavation footage

2.4 重點部位分析

軟弱圍巖位移監(jiān)測一般以拱頂沉降和邊墻水平變形作為主要控制參數(shù)[8]，下面對二者展開討論。重點分析各工況開挖過程中的隧道拱頂、側拱腰、拱腳及拱底處豎向位移，分析點位置布置見圖 4。

圖4 隧道測點布置Fig.4 Layout of the tunnel measuring point

由圖5曲線形狀可以看出:隧道周邊位移特征曲線在任一開挖進尺工況下，圍巖位移數(shù)值曲線與著名的Peck曲線是一致的。臺階法施工開挖進尺為1，2 m和4 m時，隧道周邊位移曲線近似于水平線，隧道位移變化整體趨勢較??；開挖進尺為6，8，10，12 m和14 m工況時，隧道位移響應變化較大，周邊位移曲線為深V型，有明顯的波峰和波谷。分析點1拱頂為波峰，分析點5拱底為波谷，側拱周邊位移在波峰及波谷之間分布。

由圖6可以看出:隧道側拱兩側在不同開挖方案工況下位移數(shù)值呈對稱分布，且隧道側拱右側的發(fā)生豎向位移的數(shù)值較左側的大，故圖6對稱軸略微向右傾斜。長茂山隧道在修建時，圍巖處在復雜的受力狀態(tài)，隧道的開挖過程擾動了圍巖應力平衡使得圍巖發(fā)生應力重分布，導致了隧道位移變化。隧道在開挖過程中發(fā)生偏壓，同時側拱右側豎向位移的數(shù)值較左側的大，故應針對對隧道右側的圍巖進行及時有效支護。

圖5 不同開挖進尺隧道周邊位移特征Fig.5 Tunnel periphery displacement characteristics at different excavation footage

圖6 不同開挖進尺隧道側拱位移特征Fig.6 Tunnel arch deformation characteristics at different excavation footage

3 對圍巖容許極限位移量的幾點探討

容許極限位移量是指自隧道開挖到其沉降數(shù)值趨于穩(wěn)定時，為使隧道不發(fā)生大的松動和地表不發(fā)生有害沉降量，拱頂處發(fā)生的最大容許沉降值。在水平方向，也可以用在隧道起拱線位置處壁面間的最大容許位移值來表示容許極限位移量[12-13]。

以圍巖發(fā)生的位移作為隧道失穩(wěn)的判據(jù)，難點在于其容許位移值的確定。目前，對于隧道容許極限位移值，國內(nèi)外提出了很多的標準。法國M.Louis提出圍巖容許位移隨隧道的埋深而變化，位移值約為隧道埋深的1‰；日本在“新奧法設計施工技術指南草案”中提出隧道的允許凈空收斂值應按圍巖類別來劃分；在奧地利，阿爾貝格隧道的駐地工程師提出凈空變化的允許值為隧道半徑的10%，但最大不超過30 mm[14]。

在鐵路隧道設計規(guī)范中提出，隧道開挖變形量與多種因素有關，應根據(jù)所接觸圍巖類別、支護情況、隧道的埋置深度、施工方法等采用工程類比方法來確定容許極限位移量。當工程復雜無法類比既有隧道時，容許位移值可按表3來確定[15]。由表3可以看出：隧道的“合理”容許位移量是一個動態(tài)的范圍值?；谒淼篱_挖安全和經(jīng)濟等因素下，“合理”容許位移量在綜合考慮多種施工條件和所處工程地質環(huán)境下的動態(tài)范圍值。

本次隧道開挖過程中，不同開挖進尺條件下，圍巖最大豎向位移值如表4所示，可見開挖進尺越大，圍巖位移及應力值也相應隨之增大。

表3 預留變形量Tab.3 Reserved deformation

表4 圍巖最大豎向變形與開挖進尺的關系Tab.4 Relationship between maximum vertical deformation of surrounding rock and the excavated footage

將表4數(shù)據(jù)用Logistic增長函數(shù)進行擬合，Logistic增長函數(shù)所擬合的曲線是一條S形曲線，與圍巖豎向位移圖發(fā)展的趨勢相似，其表達式為：S=Smax/（1+ea-bx），式中：S為圍巖豎向位移；x為變量；a、b為待求參數(shù)；Smax為最大豎向位移。拱頂應力擬合過程同上。

由圖7和圖8可以看出：①開挖進尺為1 m和2 m時，圍巖位移及拱底處應力值增長較為緩慢，開挖對地層的擾動影響相對較小，且最大位移量均小于2 mm，拱頂應力均小于45 kPa；②開挖進尺為4 m時，圍巖最大豎向位移及拱頂應力增長速度大于開挖進尺為1 m和2 m的增長速度，開挖過程中位移量增大至4.29 mm，小于規(guī)范對于單洞隧道中容許位移變化5 mm。故在實際施工過程中宜采用此階段的開挖進尺；③開挖進尺為6 m時，此階段曲線斜率為圖7～圖8中的最大值，圍巖豎向位移和拱底應力得到了極大的發(fā)育，豎向最大位移由4.29 mm增大至14.31 mm，增大了233.57%，拱頂應力由80 kPa增大至143 kPa，增大了78.75%，隨著隧道開挖的進行，在隧道拱頂處形成應力集中；④開挖進尺為8～14 m，其豎向位移及應力增長滯緩，增長速度趨近于水平線，隨著開挖進尺的變化，無論是位移還是應力數(shù)值變化都很小。

開挖進尺越大，釋放位移也相對越大。因此，淺埋無斷層且富含地下水隧道施工中，宜采用縮小開挖進尺、同時對薄弱處進行及時有效支護等方式來減小圍巖位移量。

圖7 不同開挖進尺下圍巖最大豎向位移Fig.7 Maximum vertical displacement of surrounding rock at different excavation footage

圖8 不同開挖進尺下拱頂應力Fig.8 Vault stress at different excavation footage

4 結論

對臺階法不同開挖方案下隧道施工過程進行三維數(shù)值模擬分析，得出了以下結論：

1）圍巖位移變化主要在拱頂及拱底附近。側拱兩側位移呈對稱分布。

2）圍巖的最大變形量隨開挖循環(huán)進尺增大相應增大，當開挖進尺增大到6 m后，圍巖發(fā)生最大位移增長滯緩。

3）圍巖豎向位移和拱頂應力隨開挖進尺變化的規(guī)律可以采用Logistic增長函數(shù)進行擬合。

4）在長茂山隧道地質、支護條件下,僅從施工進度方面來說，循環(huán)開挖進尺以4 m為宜。

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Analysis on Stability and Variability of Surrounding Rock in Tunnel Based on Different Excavated Programs

Diao Xinhong，Zhu Chen，Yu Yang
（Jiangxi Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Security and Control，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Different footage can cause the deformation of surrounding rock in tunnel excavation and exceeding the allowable deformation value would bring harm to surrounding rock stability in the tunnel.Taking the shallow-buried double-lane tunnel Changmaoshan Tunnel as an example,using the finite element software ABAQUS to conduct numerical simulation in different excavated cyclic footage conditions in the process of tunnel construction,this study analyzes the rules of the surrounding rock deformation with different footage in view of the displacement and stress by step method.It shows that displacement response is mainly distributed in the vicinity of the arch bottom and arch vault;Cyclic excavation footage is small while the influence of excavated disturbance on ground is relatively small and the maximum deformation of surrounding rock is smaller;The maximum deformation of the surrounding rock increases with the increase of excavated cyclic footage correspondingly; Growth rate is indeterminate,and the maximum displacement growth of the surrounding rock has stagnated when excavated footage increases to a certain number of meters.It proposes the appropriate circular excavation footage to 4m.

excavated footage；shallow tunnels；numerical simulation；deformation

U25

：A

1005-0523（2017）01-0021-07

（責任編輯 王建華）

2016－08－10

國家自然科學基金項目 （51509092）；江西省自然科學基金項目 （20161BAB216141）；江西省教廳科研項目（150518）；巖土力學與工程國家重點實驗室開放基金項目（Z015004）

刁心宏（1961—），男，教授，博士，研究方向為巖土工程、道路與鐵道工程。