Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

颜杜民，何　平，陈　峥，王　东

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京　100044；2.中铁十二局集团第三工程有限公司，太原　030024)



Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

颜杜民1，2，何平1，陈峥1，王东2

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中铁十二局集团第三工程有限公司，太原030024)

以吉图珲高铁富岩1号隧道为工程实例，运用有限元分析方法对不同开挖循环进尺下的隧道两台阶法进行数值模拟，对比分析不同工况下隧道变形和应力的响应规律，得出工程适用的开挖循环进尺。研究结果表明：开挖进尺对围岩变形影响较大，两者呈线性正相关关系；在Ⅳ级较差围岩条件下，拱顶受拉破坏先于拱腰和掌子面的受剪破坏，拱顶掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值；随着开挖进尺的增大，拱顶第一主应力和拱腰、掌子面处D-P值均增大，隧道更易发生破坏；Ⅳ级较差围岩，开挖进尺建议取2.0 m，Ⅳ级偏好围岩开挖进尺可增大至4 m。

铁路隧道；Ⅳ级围岩；两台阶法；开挖进尺；数值模拟

两台阶法是新奥法隧道施工中一种重要的方法，台阶法具有初次支护全断面闭合时间短，有利于控制围岩变形等优点[1-4]。但施工中开挖进尺没有一个明确的标准，开挖进尺过小，会使工期延长，施工成本加大；开挖进尺过大，则使拱顶覆土不稳定，甚至塌方，这对于隧道掌子面的稳定及隧道安全极为不利[5-10]。

以富岩1号隧道工程为例，采用有限元分析软件ANSYS研究两台阶法在不同开挖进尺下对隧道变形及受力的影响，通过研究隧道开挖以后周围围岩及隧道的受力和变形来确定合适的开挖进尺。在此研究基础上，提出Ⅳ级围岩两台阶法开挖隧道的合理开挖进尺，为类似工程提供参考。

1　工程背景

吉图珲高铁富岩1号隧道位于图们市长安镇磨盘山村，隧道起讫里程为GDK284+005～GDK285+036，全长1 031 m，最大埋深67 m。根据现场勘查，隧址区岩性主要为第四系全新统残坡积碎石类土、白垩系上统龙井组含砾砂岩、华力西晚期的花岗闪长岩。隧址未见断层等地质构造，但穿越白垩系上统龙井组含砾砂岩与华力西晚期的花岗闪长岩呈不整合接触带，整体处于Ⅳ级围岩状态。

2　三维有限元模型

2.1数值模拟参数的确定

有限元数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑性体考虑，材料力学特性假定遵循D-P屈服准则。衬砌材料因其力学特性远较围岩好，计算中视为弹性体。结合工程地质勘察报告、《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)[11]和《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)[12]，将土层概化为1层Ⅳ级围岩。结构参数均参考隧道设计规范及实际工程施工报告给出，其中初期衬砌采用C25混凝土，二次衬砌采用C30混凝土。详细参数见表1。

2.2模型的建立

有限元模型如图1所示，其中隧道部分的详细参数见表2，根据研究，在隧道洞径3～5倍以外部分的围岩将不受隧道开挖的影响，模型横向长度为120 m，竖向长度为100 m，纵向长度为60 m，围岩级别为Ⅳ级，隧道埋深为58 m。模型侧向水平约束，底面竖向约束，上表面自由。

表1　材料参数

图1　Ⅳ级围岩隧道有限元模型

立体模型围岩条件隧道内轮廓/m初期衬砌/cm二次衬砌/cmⅣ级围岩R1=6.41;R2=2.7;R3=13.662540

2.3计算步骤

模拟现场实际采用的两台阶开挖法，用生/死单元来模拟初期支护的激活和隧道的开挖过程，初期支护施作以前位移释放30%，施作初期支护设防50%，其余的20%在后期支护如仰拱和二次衬砌施作时释放[13-15]。图2为两台阶法台阶尺寸图，它是两台阶法研究的基本尺寸模型，计算步骤如下。

第一步：建立有限元模型；

第二步：自沉降计算；

第三步：隧道开挖，分步开挖上台阶。

(1)上台阶开挖至距洞口30 m处并施作初期支护，下台阶不进行开挖，二次衬砌先不施作；(2)上下台阶同时按照拟定的1个开挖循环进尺进行开挖，开挖部分不施作初期支护。

图2　两台阶法台阶尺寸

3　施工进尺研究

在Ⅳ级较差和Ⅳ级偏好两种围岩条件下，分别设置开挖进尺为1、2、3、4 m，分析围岩变形和应力的响应规律。

3.1变形分析3.1.1拱顶沉降

图3、图4分别为较差围岩、偏好围岩下开挖进尺不同时拱顶沉降曲线。横坐标零点为掌子面后方已经支护的拱顶即Z=-30 m处，x轴以掌子面开挖方向为正；纵坐标为该处的竖向沉降值，负号表示沉降垂直向下。在相同围岩条件下，随着开挖进尺的增大，拱顶沉降越来越大。而不同围岩条件下，围岩越差，拱顶沉降越大，但拱顶沉降均会随开挖进尺的增大而增大。

图3　较差围岩拱顶沉降曲线

图4　偏好围岩拱顶沉降曲线

图5为拱顶最大沉降值与开挖进尺的关系图，两者呈线性关系。

图5　拱顶最大沉降值与开挖进尺的关系

拱顶最大沉降值与开挖进尺的关系式为

(1)

R2=0.999

(2)

R2=0.998

3.1.2地表沉降

图6、图7分别为较差围岩、偏好围岩下开挖进尺不同时，地表Z=-30 m线处的地层横向沉降曲线，均在隧道中心地表处达到沉降最大值，横向影响范围在40 m左右，沉降曲线拐点在15 m左右。与开挖进尺对拱顶沉降的影响相似，开挖进尺越大，地表沉降越大。

图6　较差围岩下横向沉降曲线

图7　偏好围岩下横向沉降曲线

3.1.3水平收敛

图8为水平最大收敛位移值与开挖进尺的关系，两者呈线性关系，开挖进尺越大，水平最大收敛位移越大。

图8　水平最大收敛位移值与开挖进尺的关系

水平最大收敛位移值与开挖进尺的关系式为

(3)

R2=0.979

(4)

R2=0.975

3.2应力分析

图9～图10分别为较差围岩、偏好围岩下开挖进尺不同时拱顶第一主应力图。随着距隧道初始分步开挖面的距离的增加，拱顶第一主应力呈现出先增大后减小而后再增大趋于稳定的趋势，距掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值。开挖进尺的影响范围在掌子面前方4 m处，之后第一主应力趋于稳定。

图11为拱顶最大第一主应力值与开挖进尺的关系图。图12为拱腰处最大第一主应力值与开挖进尺的关系图。图13为掌子面最大第一主应力值与开挖进尺的关系图。图14为下台阶最大第一主应力值与开挖进尺的关系图。

图9　较差围岩拱顶第一主应力

图10　偏好围岩拱顶第一主应力

图11　拱顶最大第一主应力值与开挖进尺的关系

图12　拱腰处最大第一主应力值与开挖进尺的关系

图13　掌子面最大第一主应力值与开挖进尺的关系

图14　下台阶最大第一主应力值与开挖进尺的关系

通过分析可以得出，对于Ⅳ级较差围岩，当开挖进尺达2.3 m时，拱顶出现拉应力，易导致拱顶围岩沿节理面开裂滑塌。对较好围岩，当开挖进尺达2.7 m时围岩拱顶出现拉应力。

3.3强度检验3.3.1最大拉应力准则

根据Mohr-Coulomb强度准则，最大拉应力可按式(5)计算。

(5)

式中，c为黏聚力；φ为内摩擦角。

较差围岩和偏好围岩的最大拉应力计算值分别为392.5、768 kPa，本文取1.25为安全系数，拉应力允许值分别为314 kPa和614 kPa。同时考虑较差围岩节理面较发育，建议Ⅳ级较差围岩拱顶不允许出现拉应力，即允许最大拉应力为零。

较差围岩、偏好围岩不同工况下隧道不同部位受到的最大第一主应力值见表3和表4(负值表示未出现拉应力，正值为当前受到的拉应力)，同一围岩下，随着开挖进尺的增大，各位置的第一主应力均在增大；但不同地质条件相同开挖进尺下，第一主应力的值与地层条件有关系。围岩较差时，隧道开挖进尺3 m时拱顶出现了拉应力，易发生危险，应控制开挖进尺在3 m以下。对于较好围岩，允许拉应力为610 kPa，因此在开挖进尺4 m情况下不会出现拉应力破坏问题。

表3　较差围岩隧道不同部位受到的最大第一主应力值　kPa

表4　偏好围岩隧道不同部位受到的最大第一主应力值　kPa

从上述结果可以得出，随着开挖进尺的增大，隧道拱顶位置逐渐成为易发生受拉破坏的危险区域，考虑Ⅳ级较差围岩拱顶存在垂直节理面的情况，建议以不出现拉应力为判据。 根据分析，除拱顶外，其他部位不易出现拉应力破坏。

3.3.2Drucker-Prager准则

表5、表6分别为较差围岩、偏好围岩不同工况下隧道不同部位受到的最大D-P值。

表5　较差围岩隧道不同部位受到的最大D-P值　103

表6　偏好围岩隧道不同部位受到的最大D-P值　103

从上述结果可以得出，随着隧道开挖进尺的增大，拱顶、拱腰和掌子面D-P值逐渐增大。较差围岩下，进尺为3 m时，拱腰位置已经出现剪切破坏；偏好围岩下，各部位相对较为安全。

3.3.3对比分析

(1)破坏方式不同：最大拉应力准则是受拉破坏，Drucker-Prager准则为受剪破坏。

(2)破坏危险区域不同：最大拉应力准则危险区域位于拱顶，Drucker-Prager准则危险区域位于拱腰和掌子面。

4　结论

(1)围岩变形受开挖进尺影响较大，变形与开挖进尺呈线性正相关关系。

(2)对于Ⅳ级较差围岩，当开挖进尺达2.3 m时，拱顶出现拉应力，易导致拱顶围岩沿节理面开裂滑塌；当进尺等于或大于3 m时，拱腰部分区域受到的过大的剪应力，导致该区域易发生剪切破坏。

(3)对于Ⅳ级偏好围岩，当进尺达到4 m时，隧道不会发生受拉破坏和受剪破坏。

(4)建议两台阶法的最优开挖进尺：地质条件较差时，开挖进尺建议取2.0 m；地质条件偏好时，开挖进尺建议增加4.0 m。

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Research on Excavation Footage of Tunnels in Ⅳ Rock with Two-bench Construction Method

YAN Du-min1，2, HE Ping1, CHEN Zheng1, WANG Dong2

(1.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;2.The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan 030024， China)

Based on No.1 Fuyan tunnel on Jituhui high-speed rail， the finite element method is applied to numerically simulate the tunneling with two-bench construction method in different excavation cyclical footage. Tunnel deformation and response regularity of stress are comparatively analyzed to obtain excavation cyclical footage suitable for engineering. The research results show that excavation footage poses greater impact on the surrounding rock， which is in a linear and positive correlation with excavation footage; in the case of poor Ⅳrock， tension-destroying in vault occurs before shear-destroying in haunch and driving face and the maximum first main stress is located 1m behind the driving face in vault; with the increase of excavation footage， the first main stress in vault and DP value in haunch and driving face are increased， making the tunnel more vulnerable to damage; the excavation footage in poor Ⅳ rock is recommended to be 2 m， while the value may rise to 4 m in good Ⅳ rock．

Railway tunnel; Ⅳrock; Two-bench construction method; Excavation footage; Numerical simulation

2016-01-26；

2016-02-18

颜杜民(1973—)，男，工程师，硕士，主要从事地下和隧道工程施工，E-mail：309529059@qq.com。

何平(1961—)，女，教授，E-mail:phe@bjtu.edu.cn.

1004-2954(2016)09-0099-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.022