既有南嶺鐵路隧道擴(kuò)建開挖方法數(shù)值分析

丁 廣 楊文龍 甄尚維

(1.中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司建設(shè)部，遼寧 沈陽 110001； 2.中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

隧道的擴(kuò)挖和支護(hù)過程是一個極其復(fù)雜的圍巖應(yīng)力重分布的過程，不同的隧道擴(kuò)挖方法將會對圍巖產(chǎn)生不同的擾動程度。李元福[1]介紹了成昆線關(guān)村壩隧道在不中斷運營的條件下擴(kuò)建施工采用的施工方法，實際工程證明，采用該施工方法進(jìn)行隧道改擴(kuò)建是成功的。彭念[2]采用理論分析及數(shù)值模擬的方法，將原位擴(kuò)建分為層層剝皮法和臺階法，利用復(fù)變函數(shù)理論對兩種開挖方法進(jìn)行了求解，并通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了兩種擴(kuò)挖方法的圍巖應(yīng)力、位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等力學(xué)行為；馮廣[3]在施工方法、開挖順序以及開挖高度等方面對依托工程展開了研究，并對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律進(jìn)行了研究；都魏龍等[4]以棚頭溝擴(kuò)建隧道為工程依托，采用數(shù)值分析軟件對全斷面和臺階法兩種開挖方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了兩種開挖方法的圍巖位移及受力特性。結(jié)果表明，采用臺階法不管在控制圍巖的位移還是減小初期支護(hù)的受力方面都具有一定的優(yōu)勢；鄭強(qiáng)[5]以大帽山公路隧道為工程依托，對不同開挖面積、施工順序及循環(huán)進(jìn)尺等條件下的CD工法進(jìn)行模擬分析，同時與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，分析了擴(kuò)建隧道施工過程中的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，取得了一定的成果；劉泉聲等[6]依托后祠隧道擴(kuò)建工程，對全斷面法、中隔壁法和交叉中隔壁法三種開挖方法進(jìn)行了模擬，分析了各擴(kuò)挖方案下隧道位移和應(yīng)力的變化規(guī)律，給出了依托工程最優(yōu)的施工方案；高強(qiáng)[7]以山西省棚頭溝隧道擴(kuò)建工程為依托，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控量測相結(jié)合的方法，對黃土公路隧道擴(kuò)建工程開挖方法進(jìn)行了比選，提出了適用于依托工程的擴(kuò)建開挖方法。

目前既有隧道擴(kuò)挖方法使用最多的主要有全斷面法及臺階法，因此本文針對兩種擴(kuò)挖方法對圍巖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行模擬研究。

1 數(shù)值計算模型的建立

本文選取依托工程Ⅴ級圍巖埋深最大段建立三維計算模型，隧道埋深為22 m。模型橫向取80 m，豎向取70 m，均為3倍～5倍洞徑，縱向取24 m。建立的三維數(shù)值分析模型如圖1所示，該模型共有72 072個單元，75 081個節(jié)點。隧道擴(kuò)挖步的荷載釋放系數(shù)設(shè)為0.6和0.4。

依托工程初始隧道寬度5.5 m,高度8.1 m。擴(kuò)挖后寬度7.15 m，高度9.25 m。因此，本文選用三種不同的擴(kuò)挖方法：全斷面、臺階法(臺階長度6 m)、短臺階法(臺階長度3 m)進(jìn)行計算分析。在本次模擬中，不考慮超前支護(hù)的作用。通過分析各種工況下圍巖位移研究不同開挖方法以及不同循環(huán)進(jìn)尺對圍巖變形影響規(guī)律，尋找最合理的隧道開挖方案。為了便于分析，各擴(kuò)挖方案均取隧道上臺階開挖至距隧道洞口18 m位置處時的結(jié)果。數(shù)值模擬中未考慮爆破對圍巖的損傷和震動影響。

2 結(jié)果分析

2.1 圍巖豎向(Z方向)圍巖分析

圖2為循環(huán)進(jìn)尺為1 m時不同開挖方法對應(yīng)的隧道軸線位置豎向位移云圖。

由圖2可以看出，各開挖方法地表沉降呈現(xiàn)為在隧道洞口處位移最大，且沿隧道軸線方向由洞口至掌子面過程中位移逐漸減小的特點。沿隧道軸線方向在洞口位置位移增長較為緩慢，接近掌子面位置位移增長速率達(dá)到最大，在掌子面前方位移增長速率又逐漸趨于平緩。這是由于隧道開挖過程中掌子面后方圍巖不斷受到重復(fù)擾動使其豎向位移逐漸增大，當(dāng)位移增大到一定程度時，圍巖由于自身的承載作用使其逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。全斷面法拱頂最大豎向位移為7.3 mm，短臺階法為9.05 mm，臺階法為9.37 mm。相比全斷面法，短臺階法拱頂最大豎向位移增長23.97%，臺階法拱頂最大豎向位移增長28.36%。對于地表沉降，短臺階法地表沉降位移較全斷面法增長22.18%，臺階法地表沉降位移較全斷面法增長25.19%。分析其主要原因是由于采用全斷面法開挖能夠一次成形，減少對周邊圍巖的擾動，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠及時封閉，使其和圍巖能夠共同抵抗圍巖的變形。而采用臺階法和短臺階法施工步驟較多，對周邊圍巖擾動次數(shù)較多，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉不夠及時，因此圍巖豎向位移相對較大。由于臺階法相比短臺階法臺階長度更長，襯砌封閉成環(huán)需要的時間更長，因此臺階法豎向位移稍大于短臺階法。

2.2 圍巖水平(X方向)圍巖分析

圖3為循環(huán)進(jìn)尺為1 m時，不同開挖方法對應(yīng)的隧道X方向位移云圖。

從圖3可以看出，各開挖方法隧道X方向位移均位于隧道左右兩側(cè)邊墻處，呈對稱形式布置。全斷面法X方向位移最小，最大位移為5.63 mm；短臺階法其次，最大位移為8.22 mm，臺階法X方向位移最大，最大位移為9.26 mm。且臺階長度越長，隧道水平方向位移越大，全斷面法水平方向位移明顯小于臺階法和短臺階法，其規(guī)律與圍巖豎向位移類似。其原因同樣是因為臺階法支護(hù)結(jié)構(gòu)無法及時封閉成環(huán)，導(dǎo)致隧道周邊圍巖缺乏約束而產(chǎn)生較大的變形。

3 結(jié)語

本文利用有限元軟件Midas對既有南嶺隧道不同擴(kuò)挖方法引起的隧道圍巖位移進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)全斷面法開挖產(chǎn)生的圍巖豎向變形和水平變形最小，但掌子面方向的擠出位移最大。短臺階法和臺階法的圍巖豎向變形和水平變形相差不大，但對于掌子面方向的擠出位移，臺階法表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢；

2)當(dāng)擴(kuò)挖斷面較小時，掌子面方向擠出位移較小，建議采用全斷面法開挖；若擴(kuò)挖斷面較大或者圍巖較軟弱時，建議采用臺階法，臺階長度應(yīng)結(jié)合掌子面方向的位移來決定。依托工程隧道擴(kuò)挖斷面較小，全斷面法開挖掌子面方向最大位移不足10 mm，因此建議采用全斷面開挖。