老鸭岭隧道Ⅳ级围岩开挖方法三维数值分析比选

严 涛，金学松，王维嘉

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031;2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

岳西—潜山高速公路是国家重点公路济南—广州公路的一段。第五合同段起于安庆市岳西县青天乡老鸭村，起点桩号K88+655，止于岳西县来榜镇枫树村，终点桩号 K91+350，全长2 695 m。其设计时速80 km/h，标段由老鸭岭隧道和少部分路基构成。老鸭岭隧道为分离式2车道隧道，设计净高为7.03 m，净宽为10.50 m。左线隧道里程ZK88+680～ZK91+295长2 615 m，右线隧道里程 YK88+775～YK91+280长2 505 m，洞内设有4个人行横洞及3个车行横洞，两洞内设有6个紧急停车带。两隧道净间距在29～32 m之间，埋深在5～184 m之间，围岩主要为花岗片麻岩，根据风化程度和埋深等指标划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅳ级围岩占80%以上，因此，选择正确的Ⅳ级围岩开挖方法，是影响隧道施工安全、工程费用和工程进度的关键。由于两隧道净间距较大，左右线隧道施工干扰较小，本文取单线隧道进行分析。通过ANSYS大型有限元软件对Ⅳ级围岩采用全断面开挖和上下台阶开挖进行了详细的比较。

1 隧道三维模型

为了研究隧道开挖所造成的位移和应力状态，以下述假定为前提［1］:

1)围岩为均质的各向同性的连续介质;

2)只考虑自重造成的初始应力场;

3)隧道形状以规则的圆形为主。

二次衬砌作为长期安全性储备［2］，计算时不予考虑。初期支护由中空注浆锚杆、钢筋网片、钢拱架和早强混凝土组成，建模时初期支护统一考虑为衬砌，用4节点壳单元模拟，老鸭岭隧道Ⅳ级围岩衬砌结构设计见图1所示。开挖围岩以及隧道周边围岩用8节点实体单元模拟，围岩采用弹塑性材料计算，屈服准则采用Drucker-Prager准则［3］，Ⅳ级围岩及衬砌支护物理力学参数见表1。

取X方向为横向，Y方向为竖向，Z方向为纵向隧道开挖前进方向。以隧道圆心为原点，模型X方向左右各取50 m，Y方向向上取20 m，向下取50 m，Z方向取48 m，将隧道沿 Z方向分成8个开挖段，以Z=24 m处即第4和第5交界面作为目标断面，如图2所示。对模型左右两侧边界施加X方向的约束，下边界施加Y方向的约束，上边界为自由边界，纵向约束Z方向位移。三维模型见图3所示。

采用单元的“生”和“死”模拟隧道的开挖支护过程，隧道的开挖过程是通过杀死开挖部分的单元实现的，即把与死单元相关的刚度和荷载变为一极小值［4］，每步开挖长度为6 m;隧道的衬砌支护通过激活单元来实现，每步支护长度同样为6 m。

老鸭岭隧道Ⅳ级围岩全断面开挖数值分析计算中，将整个施工过程分成以下9步:第1步(自重应力场计算)→第2步(第1段开挖支护)→第3步(第2段开挖支护)→第4步(第3段开挖支护)→第5步(第4段开挖支护)→第6步(第5段开挖支护)→第7步(第6段开挖支护)→第8步(第7段开挖支护)→第9步(第8段开挖支护)。开挖支护完毕见图4。

图1 Ⅳ级围岩衬砌结构设计

表1 Ⅳ级围岩及衬砌支护物理力学参数

图2 隧道断面示意 (单位:m)

图3 整体围岩和衬砌网格

图4 全断面开挖支护完毕网格

采用上下台阶开挖将整个施工步分成以下17步:第1步(自重应力场计算)→第2步(第1段上台阶开挖支护)→第3步(第2段上台阶开挖支护)→第4步(第3段上台阶开挖支护)→第5步(第4段上台阶开挖支护)→第6步(第5段上台阶开挖支护)→第7步(第6段上台阶开挖支护)→第8步(第7段上台阶开挖支护)→第9步(第8段上台阶开挖支护)→第10步(第1段下台阶开挖支护)→第11步(第2段下台阶开挖支护)→第12步(第3段下台阶开挖支护)→第13步(第4段下台阶开挖支护)→第14步(第5段下台阶开挖支护)→第15步(第6段下台阶开挖支护)→第16步(第7段下台阶开挖支护)→第17步(第8段下台阶开挖支护)。上下台阶开挖支护完毕见图5。

2 计算结果分析

2.1 地表沉降

图6给出了两种开挖工况下目标断面在各施工步拱顶正上方的地表位移累积沉降量。从图6中可以看出，两种开挖工况下地表累积沉降量总体都成增加趋势，全断面开挖和上台阶开挖时，开挖到目标断面前后地表位移有较显著的变化，而当下台阶开挖到目标断面前后地表位移沉降并不明显。全断面开挖的地表累积沉降量是12.221 mm，而采用上下台阶法开挖地表累积沉降量为12.454 mm，两种开挖方法的地表累积沉降量均满足规范要求。因此，在围岩条件较好的Ⅳ级围岩中，在满足结构安全的前提下，减少对围岩的扰动次数即采用全断面开挖方法将减小由于开挖造成的地表沉降量。

图5 上下台阶开挖支护完毕网格

图6 两种开挖工况地表位移累积沉降量

2.2 拱顶沉降

拱顶位移的发展是反应隧道稳定性的一个重要标志，过大的位移变形将造成隧道的净空不足甚至破坏。图7给出了两种开挖工况下目标断面在各施工步下隧道拱顶围岩累积下沉的变化规律，两种开挖工况下主洞开挖影响的范围在2到3个开挖段范围内，拱顶位移在全断面开挖和上台阶开挖经过目标断面的第5到第6施工步间有明显的沉降，并随着时间的增加，沉降趋于稳定。全断面开挖时，拱顶累积沉降了12.074 mm，而上下台阶开挖累积沉降了12.428 mm。因此在岩性较好的围岩中，且开挖不易坍塌，应采取减少围岩扰动次数的全断面开挖方法。

2.3 围岩应力变化规律

图7 两种开挖工况拱顶围岩累积沉降量

开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态;开挖后由于应力重新分布，围岩处于二次应力状态;开挖后为了使围岩保持稳定而施加支护，这就是三次应力状态［5］。两种工况开挖完毕后目标断面的围岩应力值和围岩应力图分别见表2和图8，两种开挖方法所引起的应力分布规律基本一致，但大小不一，上下台阶法开挖围岩所承受的最大拉应力是采用全断面开挖围岩所承受的最大拉应力的2倍，但全断面开挖围岩所承受的最大压应力是上下台阶法开挖的所承受的最大压应力的2倍多，由于围岩能承受一定的压应力，而承受拉应力的能力很差，因此从围岩应力情况来比较，Ⅳ级围岩开挖选择全断面开挖方法优于上下台阶法开挖。

表2 两种开挖工况开挖完毕目标断面围岩应力MPa

图8 两种工况开挖完毕目标断面主应力

2.4 衬砌变化规律

两种工况开挖支护完毕后衬砌应力值及应力图分别见表3及图9。由表3可知采用上下台阶法开挖，衬砌所承受的最大拉应力比采用全断面开挖时衬砌所承受的最大拉应力大0.83 MPa;但全断面开挖衬砌所承受的最大压应力比上下台阶法开挖时衬砌所承受的最大压应力大4.24 MPa，由于衬砌能承受一定的压应力，而承受拉应力的能力很差，为了减小衬砌所承受的拉力，宜采用全断面开挖方法。图9中全断面开挖衬砌第1主应力和第3主应力的最大值均出现在边墙底，施工此处衬砌时应尽量做到平滑圆顺，避免出现应力集中破坏衬砌结构;上下台阶法开挖时第1主应力和第3主应力的最大值均出现在上下支护连接处，应尽量使上下支护连接顺直，形成整体受力，减小连接处的应力。

表3 两种开挖工况衬砌应力值 MPa

图9 两种工况开挖完毕衬砌主应力

3 结论

1)Ⅳ级围岩开挖，相比采用上下台阶法开挖，采用减少对围岩扰动次数的全断面开挖将减少由于开挖造成的地表沉降量，若隧道上方地表有建筑物，对地表沉降有严格要求，应优先考虑采用全断面开挖方法。

2)隧道开挖将引起开挖处拱顶位移有一个明显的沉降，并随着时间的增加，此处沉降趋于稳定，采用全断面开挖拱顶累积沉降量相对较小。

3)围岩承受拉应力的能力较差，而上下台阶法开挖围岩所承受的最大拉应力是采用全断面开挖围岩所承受的最大拉应力的2倍，因此采用全断面开挖更加安全。

4)衬砌结构也能承受一定的压应力而承受拉应力能力较差，上下台阶法开挖衬砌所承受的最大拉应力比采用全断面开挖时衬砌所承受的最大拉应力大0.83 MPa，应优先采用全断面开挖方法。两种开挖工况下，边墙衬砌都是主应力集中的地方，施工时应尽量保证此处结构平滑圆顺，减小应力，保证结构安全。

［1］李德武.隧道［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］何川，李永林，林刚.联拱隧道施工全过程三维有限元分析［J ］.中国铁道科学，2005，26(2):34-38.

［3］雷升祥，周晓军.渝怀铁路彭水隧道出口大跨段施工方案的数值分析［J］.地下空间，2002，22(3):191-196.

［4］郑余朝.深圳地铁重叠隧道三维数值模拟分析［D］.成都:西南交通大学，2000.

［5］关宝树.隧道力学概论［M］.成都:西南交通大学出版社，1993.