软岩隧道开挖方法对变形影响数值模拟研究

黄成林，罗学东，吕乔森，3

(1.中国地质大学 工程学院，武汉 430074;2.宝钢集团 新疆八一钢铁有限公司 矿山管理部，乌鲁木齐 830022;3.新疆地质矿产勘察开发局，乌鲁木齐 830000)

软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂力学介质，其工程岩体力学性质主要表现为非线性大变形力学特性。根据软岩的非线性大变形力学特性，不同的开挖方式将会产生不同的围岩变形结果［1-4］。采取合理的手段用于软岩隧道开挖并对变形影响进行分析可以辅助指导施工，最大程度地避免施工事故发生。

有限差分法主要用于研究由岩土体及其它材料组成的结构体，在达到屈服极限后的变形破坏行为，其代表性的程序FLAC3D在计算中使用了“混合离散化”技术，使用全过程动力运动方程，采用“显式”差分求解方法，在某种程度上克服了有限元和离散元不能统一的矛盾［5-7］。为研究不同开挖方式对软岩隧道变形的影响，以某高速公路隧道为工程背景，采用 FLAC3D有限差分数值模拟方法，对围岩在不同开挖方式下的力学响应行为进行数值模拟分析。模拟得到了全断面开挖、分步开挖与预留核心土开挖这三种开挖方式下的隧道力学响应行为，并以此进行分析。

1 计算模型与模拟方案

1.1 研究对象

火车岭隧道位于十堰至漫川关高速公路隧道K54+190—K55+960段，全长约1 770 m，纵向坡度为2.0%，地形起伏较大。隧道沿线主要出露围岩岩性为绢云母石英片岩、绢云钠长石英片岩等。结构面较发育，地层产状多变，地表岩体风化破碎，深部岩体整体性良好，硬度中等。隧址区内地下水水量不丰富。

1.2 计算模型

数值模拟分析的结果是否符合实际以及可信度的大小取决于对地质原型的正确抽象，地质模型是计算模型的基础，对工程地质条件的深入认识与抽象是建立合理的地质模型的重要前提。该隧道右线出口60 m埋深左右洞段，围岩为强～弱风化绢云母石英片岩，结构面发育，产状杂乱，围岩级别为Ⅴ级。尽管从局部看各向异性明显，但是在埋深不大的条件下，从整体来看，岩性和力学性能比较均一，因此，为简化计算模型，本次模拟以单一地层来建模。

为保证计算的可靠性，消除边界效应的影响，本模型的边界范围取为隧道有效高(宽)度的3倍左右(初期支护前，隧道净高7.0 m，跨度12.0 m)。为模拟分析施工对隧道围岩体时间及空间方面的影响，模型纵深方向长度取为50 m。

依照上述分析，建立隧道三维模型。共有114 240个单元，117 828个节点。模型中竖直向上为 Z轴正向，水平向右为 X轴正向，隧道轴向指向背面为 Y轴正向。

1.3 材料模型与边界条件

在模拟分析隧道围岩体物理力学响应时，隧道围岩体材料选用Mohr-Coulomb塑性材料模型。依据隧道区岩体力学试验成果，同时结合野外地质调查结果，对强～弱风化绢云母石英片岩岩体的力学参数进行了综合取值，如表1所示。

表1 隧道围岩体计算参数

按上述参数对模型赋值后，可计算出原岩应力场在Z方向的应力分布等值线云图如图1所示。由图1可见，开挖前应力场均为压应力，隧道埋深位置应力接近2 MPa，与现场埋设压力盒读数基本一致，说明模型建立和参数选择比较合理。

图1 开挖前Z方向应力分布等值线云图(单位:MPa)

1.4 模拟方案

1)全断面开挖的模拟过程

全断面开挖10 m(开挖部分包括分步开挖中的上下台阶，不包括仰拱)→考虑施工实际情况，给予大约1 d的时步控制后，进行已挖10 m的初期支护(包括底板)→继续全断面开挖10 m，开挖长度达到20 m→给予大约1 d的时步控制后，进行第二个10 m的初期支护(包括底板)→按上述步骤再完成10 m的开挖和支护，使长度共达到30 m。

2)分步开挖的模拟过程

上台阶开挖10 m→大约1 d时间的时步控制后，进行上台阶已挖10 m的初期支护→上台阶继续向前开挖10 m，同时下台阶开挖第一个10 m→大约1 d时间的时步控制后，进行前一步骤开挖部分的初期支护→上台阶向前开挖第三个10 m，同时下台阶开挖第二个10 m，仰拱开挖第一个10 m→大约1 d时间的时步控制后，进行前一步骤开挖部分的初期支护。最终，上台阶共开挖30 m，下台阶共开挖20 m，仰拱开挖10 m，并全部完成初期支护。

3)预留核心土开挖的模拟过程

上台阶开挖10 m，时步控制后进行初期支护→上台阶开挖10 m，掌子面处留2 m×2 m×2 m核心土，时步控制后进行初期支护。

2 计算结果分析

2.1 全断面开挖模拟分析

全断面开挖的模拟结果如图2～图5所示。

图2 全断面开挖Z方向位移等值线云图(单位:m)

图3 全断面开挖X方向位移等值线云图(单位:m)

图4 全断面开挖位移矢量云图

图5 全断面开挖塑性区分布云图

由模拟结果可见，Z方向最大位移约28 cm，发生在洞口附近正上部，同时在隧道底板有10～13 cm的底鼓;X方向最大位移约23 cm，位置在洞口附近靠近底板的位置，这是因为模拟中初期支护未加锁脚锚杆，因此该处破坏最大也是与实际相符的。从图5可以看出，隧道开挖后围岩位移变化趋势，大致上为洞顶下沉，两侧收敛，底部上鼓;在洞口两侧斜上方、掌子面附近及底板下方个别位置发生了剪切破坏，拉伸破坏极少出现，只在底板下方少量可见。

2.2 分步开挖模拟分析

分步开挖的模拟结果如图6～图9所示。

与全断面开挖模拟结果对比可知，分步开挖后，塑性区明显减少，只是在上下台阶掌子面附近发生部分剪切破坏，以及洞口两侧靠近底板附近有少量剪切破坏(如图9所示);Z方向最大位移约20 cm，但位置不在洞口附近，而是在仰拱未封闭的已开挖上下台阶上部，在全断面开挖中变形最大(达28 cm)的洞口上部相同位置，分步开挖向下变形量只有10 cm左右，已经大大降低，同时底鼓最大部位发生在上台阶部分，约17 cm，仰拱部位的底鼓只有2～5 cm;X方向最大位移只有4～5 cm，发生在洞口段边墙处。全断面开挖与分步开挖变形量对比数据见表2。

图6 分步开挖Z方向位移等值线云图(单位:m)

图7 分步开挖X方向位移等值线云图(单位:m)

图8 分步开挖位移矢量云图

图9 分步开挖塑性区分布云图

表2 全断面开挖与分步开挖变形量对比

根据模拟结果，无论是全断面开挖还是分步开挖，掌子面上均发生较大的Y方向变形，其中全断面开挖时掌子面Y向(即隧道轴向)向洞口方向变形达40 cm，而分步开挖时上台阶掌子面在相同方向也发生了约20 cm的位移，如果不采取特殊的施工工艺，势必导致掌子面的变形与垮塌。

2.3 预留核心土开挖模拟分析

预留核心土开挖模拟的目的是，为了得出掌子面Y向变形情况采用该方法施工，隧道轴向变形能否得到有效的控制。由于所留核心土遮挡了掌子面部分情况，可以采取截取掌子面剖面的方法，观察其在Y向的位移，为了更清楚对比二者的区别，均截取了掌子面剖面上的Y向位移并绘出等值线云图。模拟结果见图 10、图 11。

对比图10、图11可以看出，不留核心土时，上台阶掌子面区域变形较大部分呈扇形分布，且占据掌子面绝大部分(超过2/3)，其轴向变形超过25 cm;预留核心土施工后，变形较大部分急剧较少，呈极窄的弧线状分布，而且变形量也减少，约20 cm，其它绝大部分变形在约10 cm。另外，从图11也可看出，所留核心土部分Y向变形也不大，约10 cm。可见，预留核心土开挖对于抑制掌子面变形和垮塌的作用非常明显，实际施工过程中还可以根据现场情况与数值模拟结果对核心土的大小进行调整，以满足施工要求。

图10 不留核心土掌子面上Y向位移等值线云图(单位:m)

3 结论

图11 预留核心土掌子面上Y向位移等值线云图(单位:m)

1)根据数值模拟结果，应用全断面开挖方式后，火车岭隧道围岩的变形大致表现为洞顶下沉，两侧收敛，底部上鼓;采用分步开挖方式可以减少围岩塑性区，洞口两侧靠近底板附近有少量剪切破坏，X，Z方向位移得到抑制，但在仰拱未封闭的已开挖上下台阶上部的Z方向位移仍呈现较大值。但是无论哪种方法，均无法抑制掌子面上围岩Y方向位移。

2)预留核心土开挖方式对于抑制掌子面变形和垮塌效果明显。预留2 m的核心土即可使上台阶掌子面的扇形分布变形区域缩小为极窄的弧线状，较分步开挖方式，Y方向位移减小至1/2。

3)数值模拟结果表明，预留核心土开挖方式可以有效地抑制围岩在X，Y，Z方向位移，减小塑性变形区范围，优于全断面开挖与分步开挖。实际施工过程中，还可以对核心土部分的大小进行调整，以满足安全施工的需要。

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