秦巴山区某软岩公路隧道合理施工方法研究*



秦巴山区某软岩公路隧道合理施工方法研究*

邓博团1，苏三庆1，2，任建喜1，孟昌1

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

摘要：以秦巴山区某软岩公路隧道为工程背景，采用FLAC数值模拟和现场监测相结合的方法对该隧道合理施工方法进行了研究。建立3种不同施工方法下的计算模型，数值计算结果显示，相比于台阶法施工和单侧导坑法，采用留核心土法施工引起的隧道围岩变形较小，能够满足设计要求，从经济和施工工期角度来看，留核心土法是该地区软岩隧道最为合理的施工方法。为了验证数值计算结果的可行性，在隧道周围设置了变形监测点，实测结果表明，采用留核心土法施工后，隧道最大周边收敛14.81 mm，最大拱顶沉降值为27.11 mm，隧道变形在允许范围之内。隧道围岩变形的实测值与预测值变化趋势基本一致，表明FLAC数值模拟可在隧道施工前对隧道施工方法的合理性做出评价，具有超前指导意义。

关键词：数值模拟；公路隧道；施工方法；围岩变形规律；支护参数

0引言

隧道施工方法选择对于隧道建设工程十分重要，既需要保证隧道施工过程结构的安全性和可靠性，还必须达到施工过程简单、施工进度快的要求，同时还需满足造价要求[1-3]。隧道施工方法的选定，即就是根据隧道掌子面的围岩情况来选定开挖断面的尺寸及相关的支护参数[4-5]。选择合理施工方法是确保安全、快速施工的关键[6-8]，国内学者在这方面进行了许多研究，也取得了不少成果，指导了工程实践。譬如文献[9]针对大跨度软弱围岩隧道自身稳定特点，采用ANYSYS有限元法分析了上半断面超前法、两侧超前施工法和中壁CRD法3种不同施工方案下隧道围岩的应力场和位移场，最终提出采用上半断面超前法施工。文献[10]对大跨度隧道施工方法进行了探讨，提出不同地质情况和围岩级别下应采取不同的施工方法，同时应做好信息化设计与施工，从而确保隧道施工过程掌子面的安全稳定。文献[11-12]等认为在进行隧道施工设计与施工时，首先应该进行围岩等级分析，其次按照不同等级进行隧道施工方法设计和施工。但是，山岭软岩隧道地质条件往往复杂多变，具有很大的不确定因素，其施工方法不能盲目地借鉴别的工程，否则极有可能引起掌子面失稳破坏，甚至造成隧道塌方。因此，复杂地质条件下软岩隧道的施工方法仍需研究。文中以十天线高速公路穿过秦巴山区，该地区崇山峻岭，地质复杂，隧道较多，施工过程难度较大。因此，文中采用FLAC数值模拟方法对秦巴山区某软岩公路隧道的合理施工方法进行研究，以便寻找一种安全、快速的施工方法，为同类地质条件下软岩公路隧道施工方法的合理确定提供参考依据。

1工程概况

秦巴山区某隧道左线全长4 893 m，右线全长4 925 m，隧道最大埋深约370 m.该隧道K35+720～ K38+073区段地质条件复杂，岩性多变，属于Ⅴ级软岩，且隧道断面较大，隧道净宽10.15 m，净高8.2 m.在客观条件上提高了隧道的工程施工难度及强度，岩体多由千枚岩、泥质灰岩组成，地下水丰富、断层和结构面等构造相当发育，稳定性较差。

2软岩公路隧道施工过程的FLAC3D实现

目前，公路隧道主要施工方法有全断面法、上下台阶法、留核心土法、单侧壁导坑法以及双侧壁导坑法。隧道施工方法的选择，都是在已有的地质条件下尽量减少开挖对围岩的扰动，从而保证隧道施工经济、安全。不同的开挖方法对隧道围岩的扰动不同，施工进度也会存在差异，因此，在选择隧道合理的施工方法时，需要考虑施工造成的围岩稳定性和施工速度。

2.1　计算模型建立

采用FLAC3D软件对软岩隧道Ⅴ级围岩条件下不同施工方法进行数值计算，计算工况有：

工况一：上下台阶法；工况二：留核心土法；工况三：单侧导洞法。

隧道洞室周围距离取洞室中心点3～5倍洞径，模型宽度为130 m，高度为90 m，厚6 m.地表面为自由边界，不受任何约束；模型的左右边界受X轴方向的位移约束，模型的地层下部边界受到Y轴方向的位移约束。三种工况的计算模型如图1所示。

图1　3种工况下的隧道计算模型Fig.1　Tunnel calculation model under three conditions(a) 上下台阶法　(b)留核心土法　(c) 单侧导洞法

2.2　开挖与支护模拟

数值计算采用莫尔-库伦本构模型，各工况首先进行自重应力求解，然后严格按照各种工法的施工工艺进行真实地计算模拟。采用calle单元进行锚杆支护，采用空单元实现隧道断面的开挖，在进行分步开挖时，按照实际施工顺序，并且做到及时支护。

空单元代表从建立的模型中移去巷道实际开挖断面的那部分单元，开挖过程就是巷道围岩的卸载过程，因而挖掉其内部的单元后，开挖区域的单元应力自动清零，没有体力，即

(1)

式中N为节点；σij为点的应力状态，包含9个应力分量。

2.3　支护方式及计算参数

由于研究的对象为软岩公路隧道的施工方法，结合大量工程实践经验，采用的支护方式为钢拱架+锚网喷，具体支护参数：I20b钢拱架间距60 cm，φ22纵向连接筋，间距1 m；φ22早强砂浆锚杆L=4 m，间距100 cm×60 cm；网格尺寸为200 mm×200 mm的φ8钢筋网；厚260 mm的C20喷射混凝土。通过室内试验得到隧道岩层物理力学参数，见表1.

表1　数值计算物理力学参数

3软岩公路隧道施工方案FLAC3D数值计算结果分析

从围岩变形、应力变化以及塑性区变化3方面进行比较。计算过程中在隧道拱顶、两帮和底板中心设置监测点，计算得出各监测点的位移值和应力值。

3.1　围岩变形分析

限于篇幅，这里仅给竖向位移云图，围岩变形计算结果见表2.

表2不同开挖方式下隧道各关键点计算位移值(mm)

Tab.2The key points displacement value of tunne1

under different excavation types(mm)

图2　不同工况下隧道竖向位移云图(m)Fig.2　Vertical displacement contours oftunnel in different conditions(m)(a) 工况一：台阶法　(b) 工况二：留核心土　(c) 工况三：单侧壁导坑

从表2可以看出，上下台阶法施工引起的拱顶沉降和底板隆起最大，分别达到38.12 mm和22.42 mm，水平收敛为21.92 mm，围岩变形较大，不能满足隧道安全稳定的要求。而留核心土法和单侧壁导洞法施工引起的围岩变形值相差不大，其拱顶沉降分别为14.87和13.32 mm，底板隆起量分别为8.98和12.32 mm，围岩变形均较小，表明留核心土施工方法和单侧壁导洞施工方法能够确保隧道安全稳定。此外，左帮水平位移普遍略大于右帮，说明隧道存在一定的偏压。

3.2　应力分析

图3　不同工况下隧道竖向应力云图(Pa)Fig.3　Vertical stress contours in different conditions(Pa)(a)工况一：台阶法　(b)工况二：留核心土(c)工况三：单侧壁导坑

限于篇幅，这里仅给竖向应力云图，从图3可以看出，3种施工方法中上下台阶法拱顶竖向应力最大，为-6.35 MPa，底板竖向应力也是最大，为2.28 MPa；相比于上下台阶法，留核心土法和单侧壁导洞法引起的隧道拱顶和底板竖向应力较小，其中留核心土法更小，分别为-3.17 MPa和-3.01 MPa，这是由于预留的核心土有效地保证掌子面的稳定，致使顶板围岩受扰动较小，处于较稳定的状态。

3.3　围岩塑性区分析

图4　不同开挖方式下隧道围岩塑性区Fig.4　State of tunnel surrounding rock indifferent construction methods(a)上下台阶法　(b)留核心土法　(c)单侧壁导坑法

从图4可以看出，3种工况下隧道围岩塑性区均表现为拱肩、拱脚以及底板塑性区较明显，因为隧道开挖后围岩应力得到释放，在围岩自重作用和水平应力作用下，拱肩将发生剪切破坏，同时拱脚出现应力集中。从塑性区大小可以看出，图4(a)中的拱脚和拱肩塑性变形较大，影响范围3 m，图4(b)的拱脚和拱肩塑性变形较小，影响范围2 m左右，图4(c)的拱脚和拱肩塑性变形较小，影响范围2.5 m左右。分析表明，采用留核心土法施工引起隧道围岩发生塑性变形区域最小，这样可以有效减小锚杆锚索长度，从而降低支护成本。

综上可知，与留核心土法和单侧壁导坑法相比，采用上下台阶法开挖诱发的隧道围岩变形、围岩应力和塑像区域均较大，仅仅增大锚杆(索)长度，不能满足隧道施工的安全稳定。单侧壁导坑法和留核心土法施工则对围岩稳定性影响较小，在可控范围之内，但是从施工工艺方面来讲，单侧壁导坑法开挖时要做临时隔墙，开挖方式复杂，工序复杂，对于施工爆破精度等要求比较高。因此，秦巴地区软岩公路隧道采用留核心土开挖方式最为合理有效。

4隧道变形现场实测

4.1　现场实测结果分析

为了得到该隧道围岩变形规律，在隧道掘进施工过程中布置了多个围岩变形监测断面，主要监测左右线隧道拱顶沉降和帮部收敛。这里以典型的K35+720断面和K38+073断面为例，通过现场实测得到围岩变形与时间关系曲线，如图5～8所示。

图5　K35+720周边收敛与时间关系曲线Fig.5　Relation curve of peripheral convergenceand time in K35+720 section

图6　K35+720拱顶收敛与时间关系曲线Fig.6　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K35+720 section

图7　K38+073周边收敛与时间关系曲线Fig.7　Relation curve of peripheral convergenceand time in K38+073 section

图8　K38+073拱顶下沉与时间关系曲线Fig.8　Relation curve of arch crown subsidenceand time in K38+073 section

从图5～图8可以看出，隧道围岩在前18～22 d收敛速率较快，周边收敛和拱顶下沉曲线上升幅度大，30～ 35 d以后围岩处于稳定状态，周边最大收敛值达到12.33～14.81 mm，拱顶最大沉降值20.39～27.11 mm.开挖支护完成后，经过较长一段时间后围岩变形才趋于稳定，该区段隧道具有明显的时空效应，围岩自身存在一定的流变性。隧道围岩变形均在允许范围之内，表明支护参数能够满足设计要求，开挖方式合理。

4.2现场实测值与数值模拟预测值对比

为了验证数值计算的准确性，将留核心土法三维数值计算结果中的周边收敛和拱顶下沉计算值值与现场实测值进行比较。

拱腰水平方向位移预测值为12.01 mm，实测数值回归结果为14.81 mm，以实测值为基准，两者相差2.6 mm，相差18.9%.拱顶下沉预测值为24.73 mm，实测数值为27.11 mm，以实测值为基准，两者相差1.283 mm，相差8.7%.

结果表明：现场实测与数值模拟分析结果比较吻合，所采用的研究方法及结果可靠，预测值略小于实测值，原因在于数值计算过程中未能考虑到围岩流变特性。在今后的工作中可以进一步研究。

5结论

1)FLAC数值计算表明，相比于上下台阶法和单侧导坑法，留核心土法是该隧道Ⅴ级围岩最为合理的开挖方式，这种开挖方式能够确保隧道安全快速施工；

2)现场监测表明，采用留核心土法进行施工，隧道最大周边收敛值为14.81 mm，最大拱顶沉降值为27.11 mm，变形均在允许范围之内，开挖方法合理，支护参数满足设计要求；

3)对本工程中所采用的不同施工方法建立的复杂地质条件下软岩隧道位移场和应力场模型对以后类似工程的设计和施工具有一定的指导意义。

参考文献References

[1]姜利军，徐义芳.浅谈山岭隧道开挖与支护方法[J].内蒙古科技与经济，2012(11)：89-92.

JIANG Li-jun，XU Yi-fang.Discussion of tunnel excavation and support methods in Mountain tunnel[J].Inner Mongolia Science Technology & Economy，2012(11)：89-92.

[2]陈鉴光，张运良，曹伟.对软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施的探讨[J].公路工程，2011，36(4)：139-142.

CHEN Jian-guang，ZHANG Yun-liang，CAO Wei.Construction techniques and construction craft of tunnels in weak surrounding rocks[J].Highway Engineering，2011，36(4)：139-142.

[3]王春生，周翠英.梅河高速公路隧道稳定性数值模拟[J].中山大学学报，2005，44(1)：38-41.

WANG Chun-sheng，ZHOU Cui-ying.Modification of biodegradable drug loaded guar gum microcapsules by poly(ethylene glycol)[J].Editorial Department of Journal of Sun Yatsen University，2005，44(1)：38-41.

[4]唐颖.公路隧道软弱围岩施工方法的探讨[J].现代隧道技术，2007，44(8)：68-71.

TANG Ying.Construction techniques of highway tunnels weak surrounding rocks[J].Modern Tunneling Technology，2007，44(8)：68-71.

[5]李书静.铁路富水、破碎白云岩隧道施工方法探讨[J].铁道工程学报，2013(1)：61-66.

LI Shu-jing.Discussion on construction methods of cracked dolomite railway tunnel in rich-water zone[J].Jouranl of Railway Engineering Society，2013(1)：61-66.

[6]江勇顺，李天斌，张广洋.山区高速公路隧道围岩分级智能判别系统初探[J].现代隧道技术，2013，50(5)：6-11.

JIANG Yong-shun，LI Tian-bin，ZHANG Guang-yang.Discussion of an intelligent rock classification system for expressway tunnels in mountain areas[J].Modern Tunneling Technology，2013，50(5)：6-11.

[7]覃卫民，李棋，任伟中，等.复杂结构形式隧道的围岩位移监测分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(3)：549-557.

QIN Wei-min，LI Qi，REN Wei-zhong，et al.Monitoring analysis of surrounding rock displacement of complex structure tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(3)：549-557.

[8]任建喜，党超.马鞍子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析[J].施工技术，2013，356(41)：87-91.

REN Jian-xi，DANG Chao.Deformation rule and simulation analysis of supporting technology on soft rock tunnel in Maanziliang tunnel[J].Construction Technology，2013，356(41)：87-91.

[9]杨建华，朱彬．大跨度软岩隧道开挖方法及施工方案数值模拟研[J]．西安科技大学学报，2011，31(3)：287-292.

YANG Jian-hua，ZHU Bin.Construction of long span and soft rock tunnel with numerical simulation[J].Journal of Xi’ an University of Science and Technology，2011，31(3)：287-292.

[10]邓寄生，许人平，吴从师，等.大跨度隧道施工方法探讨[J].公路与汽车，2007(6)：140-143.

DENG Ji-sheng，XU Ren-ping，WU Cong-shi，et al.Discussion on tunnel construction method of long span tunnel[J].Highways & Automotive AppLications，2007(6)：140-143.

[11]冯晓光，任建喜，谷拴成，等.公路隧道围岩现场快速分级方法研究[J].西安科技大学学报，2013，33(3)：277-283.

FENG Xiao-guang，REN Jian-xi，GU Shuan-cheng.On-site rapid classification method of surrounding rock in highway tunnel[J].Journal of Xi’ an University of Science and Technology，2013，33(3)：277-283.

[12]余存鹏.明娅子软岩隧道围岩稳定性评价[J].西安科技大学学报，2012，32(6)：706-712.

YU Cun-peng.Stability analysis of surrounding rock of Mingyazi soft rock tunnel[J].Journal of Xi’ an University of Science and Technology，2012，32(6)：706-712.

Reasonable methods of constructing highway soft-rock tunnel in Qinba mountains

DENG Bo-tuan1，SU San-qing1，2，REN Jian-xi1，MENG Chang1

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.SchoolofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China)

Abstract：Taking the background of a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous，with the means of FLAC numerical simulation and site monitoring，the reasonable method of constructing a highway soft-rock tunnel in Qinba mountainous was researched.Three different construction ways were put forward.Compared with the step method and Single Side Heading Method，the result of numerical simulation showed that the core soil-retained construction method could lead the surrounding rock deformation to be little and met the construction requirement.From the view of economic and construction period，the core soil-retained was the best construction method for the soft rock tunnel excavation.Depended on the site measurement，after taking the core soil-retained construction method，the feasibility of numerical simulation result was verified.The result of site measurement indicated that the maximum peripheral convergence was 14.81 mm and the maximum crown settlement was 27.11 mm.So，the tunnel deformation was in the permissible range.Besides，the measured values trend of surrounding rock deformation was similar to the predictive value，which indicated that the the FLAC could serve as a evaluation method to verify the reasonableness of construction method before construction，which had advanced guiding significance.

Key words：numerical simulation；highway tunnel；construction method；surrounding rock deformation law；supporting parameters

中图分类号：U 459.2

文献标志码：A

通讯作者：邓博团(1981-)，男，陕西乾县人，博士研究生，工程师，E-mail：345312719@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(51478383)

收稿日期：*2015-08-12责任编辑：高佳

文章编号：1672-9315(2016)01-0092-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0116