软弱围岩大断面隧道环形开挖预留核心土法相关参数研究*

邓思远杨其新蒋雅君马鹏远

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，610031，成都；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，100055，北京∥第一作者，硕士研究生）

软弱围岩大断面隧道环形开挖预留核心土法相关参数研究*

邓思远1杨其新1蒋雅君1马鹏远2

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，610031，成都；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，100055，北京∥第一作者，硕士研究生）

结合湖北省境内某隧道项目，采用三维建模模拟环形开挖预留核心土法在不同核心土长度、台阶长度、进尺深度、衬砌施作时间下围岩变形情况，找出环形开挖预留核心土法各因素对围岩稳定性的影响，获得经济合理的开挖参数。总结了施工关键点，为广大工程技术人员提供参考。

大断面隧道施工；软弱围岩；环形开挖预留核心土法；开挖参数

First-author＇s address ME Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

随着我国综合国力的增强，线路规划设计更注重安全效益。由于采用隧道改善线路结构具有极大的现实意义，故高速铁路线路中，桥隧所占比例相当高。但隧道修建费用昂贵，施工方法多，技术要求高。文献［1］指出，隧道承受的最大作用力往往发生在施工阶段。若能因地制宜，采用最经济合理的方法修建隧道，则隧道工程必将迎来广阔的前景。

1　环形开挖预留核心土法优势

目前，我国常用的软弱围岩隧道施工工法有CRD（交叉中隔壁）法和双侧壁导坑法。虽然上述工法控制变形效果好，但需要设置和拆除临时支撑，分块较多，作业空间狭小，难以使用大型机械，工序复杂。在一些地质条件较好或非特大断面隧道中，采用这两种工法是不经济的。

环形开挖预留核心土法无须设置中隔墙及临时仰拱，施工简单，经济。如深圳羊台山隧道浅埋段最初方案为CRD法，后改用环形开挖预留核心土法，取得了较好的经济效益［2］。南京老山隧道采用环形开挖预留核心土法，月掘进百米以上。采用该工法平均每延米节省投资4 200元［3］。环形开挖预留核心土法安全性高，施工时掌子面稳定性好，常用于VI级围岩单线隧道和V～VI级围岩双线隧道掘进，在土质及软弱围岩隧道中也有较多应用［4］。核心土长度、台阶土长度、进尺深度、衬砌施作时间与围岩的稳定及变形有重要联系。本文将结合湖北某隧道项目，研究相关参数对围岩变形的影响。

2　隧道变形破坏形式

围岩开挖后，初始地应力释放，引起围岩变形。围岩变形可大致分为3个阶段：①掌子面前方一定范围内产生先行位移，掌子面处拱顶下沉；②掌子面挤出变形；③随着掌子面推进，在掌子面后方拱顶仍不断沉降，最后趋于稳定，达到收敛。

在软弱围岩中，由于围岩强度不高，通常3个阶段的变形都较大。当掌子面前方先行位移较大时，往往会导致掌子面拱顶部分坍塌。在软弱围岩条件下，当先行位移超过全位移30%以上，甚至达到50%或更大时，如不加控制，则会成为掌子面拱顶部分坍塌以及发生大变形的主要原因［5］。

隧道的一切变形均与超前核心土（掌子面前方一定范围内的圆柱形土体，其高度和直径大致等于隧道直径）有关，隧道洞室很少在超前核心土失稳前就发生破坏。如：罗马—佛罗伦萨高速铁路塔索隧道在掌子面失稳后，后方30～40 m已支护区段发生坍塌；梅西纳—巴勒莫高速公路圣厄里亚隧道在掌子面失稳后数小时内后方区段塌方［1］。

由于掌子面稳定事关隧道整体安全性，因此围岩条件较差时须加强对掌子面的监控，主要对拱顶沉降、水平收敛、隧道中心纵向位移进行监测。

3　数值模拟

本模型参数主要来源于湖北省境内某隧道。该隧道埋深为50 m，其断面形式如图1所示。考虑到实际工程中围岩破碎，且采取了多种辅助措施，故围岩参数按文献［6］中的VI级围岩物理指标标准值选取（见表1）。衬砌由24 cm厚喷射混凝土、φ8钢筋网、工字钢等组成，其折算后参数如表1所示。

图1　隧道断面图

表1　围岩与支护参数

模型采用大型有限元软件Midas GTS建模，如图2所示。左右边界各取4倍洞径，底部取3倍洞径。由于隧道开挖的纵向影响范围约为2.0～2.5倍洞径［5］，故本模型纵向取2.5倍洞径。对开挖土体进行网格局部加密以确保精确，并减少运算时间。

图2　隧道及围岩三维模型示意图

核心土、台阶土体与掌子面之间的关系是四维的，需要考虑空间效应和时间效应。目前，这方面的研究尚在探索阶段，常采用荷载释放系数综合考虑两者的影响［7］。本模型是三维空间模型，已模拟空间效应，时间效应暂不考虑。

施工工序（见图3）主要参考文献［8］：先开挖上部环形导坑，及时施作上部初期支护，预留一定长度核心土，开挖下台阶并施作两侧初期支护，最后进行检底和施作仰供。为方便架设钢拱架，本模型核心土高度取2.5 m，顶部宽度为5 m。上部核心土边坡率取1∶0.50～1∶0.75。

图3　施工工序示意图

为了研究不同参数对隧道稳定性的影响，按四种工况进行分析。图4为施工步计算模型示意图。

（1）工况Ⅰ。取核心土长度为变量，围岩参数、衬砌厚度、台阶长度和高度等为不变量。按核心土长度分别为1 m、3 m、5 m、7 m计算，以研究核心土长度对围岩变形的影响。

（2）工况Ⅱ。取台阶长度为变量，其余为不变量。按台阶长度分别为6 m、10 m、15 m、20 m计算，以研究台阶长度对围岩变形的影响。

（3）工况Ⅲ。取循环进尺深度为变量，其余为不变量。按循环进尺深度分别取0.5 m、1 m、2 m计算，以研究进尺深度对围岩变形的影响。

（4）工况Ⅳ。取衬砌落后掌子面的距离为变量，其余为不变量。按衬砌落后掌子面0 m、0.5 m、1 m、1.5 m计算，以研究衬砌支护时间对围岩变形的影响。

图4　施工步计算模型示意图

4　计算结果分析

4.1工况Ⅰ计算结果分析

工况Ⅰ计算结果如图5～图7所示。由图5、图6可见，核心土长度对拱顶沉降和水平收敛影响不大。图7中，隧道中心纵向位移随着核心土长度增加而小幅度减小。这说明核心土有利于掌子面稳定。当核心土长度超过5 m以后，隧道中心纵向位移几乎不再减小。此时，核心土对掌子面的稳定作用不再随着其长度增加而增加。

图5　工况Ⅰ拱顶沉降

4.2工况Ⅱ计算结果分析

工况Ⅱ计算结果如图8～图10所示。由图可见，与核心土类似，台阶长度在0.5～1.5倍洞径范围内时，围岩的环向变形基本相同。随着台阶长度的增加，隧道中心纵向位移减小；当台阶长度超过15 m以后，隧道中心纵向位移减小幅度明显放缓。

图6　工况Ⅰ水平位移收敛情况

图7　工况Ⅰ隧道中心纵向位移

与工况Ⅰ的计算结果对比可发现，台阶土对掌子面的稳定作用更加明显。

图8　工况Ⅱ拱顶沉降

图9　工况Ⅱ水平位移收敛情况

4.3工况Ⅲ计算结果分析

图10　工况Ⅱ隧道中心纵向位移

工况Ⅲ计算结果如图11～13所示。由图13可见，隧道拱顶沉降和洞周水平收敛会随着进尺深度减小而减小。这说明“短开挖”有利于控制隧道变形。图13中，隧道中心纵向位移随着循环进尺深度的减小而增大。这可能是由于计算模型作了简化造成的。实际施工中围岩开挖、架设钢拱架、喷射混凝土硬化是需要时间的，即所谓的隧道开挖“时间效应”。进尺深度越大，则施工人员架立钢拱架和喷射混凝土所花时间越多，支护结构参与受力的时间越滞后，围岩变形越大。在模拟计算过程中“时间效应”可通过设置荷载释放系数来实现。荷载释放系数多按经验取值。可待变形完成后，再激活衬砌单元。这样可使计算结果偏于安全。

图11　工况Ⅲ拱顶沉降

图12　工况Ⅲ水平位移收敛情况

图13　工况Ⅲ隧道中心纵向位移

4.4工况Ⅳ计算结果分析

工况Ⅳ计算结果如图14～16所示。由图可见，随着衬砌滞后距离的增大，隧道拱顶和洞周水平收敛变大。所以掌子面开挖后应及早施作衬砌，以提供支护阻力。尤其是软弱围岩施工时，可结合管栅、预切槽等辅助措施，以控制围岩预收敛。

图14　工况Ⅳ拱顶沉降

图16　工况Ⅳ隧道中心纵向位移

5　结语

环形开挖预留核心土法施关键点为：

（1）在一定范围内，掌子面的稳定性随核心土和台阶长度增加而增加，但这并非是无限的。同核心土相比，台阶土对掌子面的稳定效果更好。

（2）控制拱顶沉降、水平收敛的办法是及时做衬砌和仰拱，尽早提供支护，而不是设置过长的台阶和核心土。此外还可采取掌子面注浆加固等措施，并连续快速开挖。这符合新意法（岩土控制度形分析法）的观点——开挖速度宜快不宜慢，以减少超前核心土变形。但应适当提高支护结构强度参数。

（3）二维模型难以模拟台阶和核心土对掌子面的稳定作用。在分析软弱围岩变形时，三维数值计算结果更为可靠。建议三维模拟时加入荷载释放系数，以考虑时间效应。荷载释放系数大小应根据实际，综合考虑。

［1］ p IETRO Lunardi.隧道设计与施工——岩土控制变形分析法（ADEC0-RS）［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］ 康铁军.环形开挖预留核心土法在羊台山隧道中的运用［J］.隧道建设，2009，29（2）：114.

［3］ 刘振霞.正台阶预留核心土法在大断面软弱围岩公路隧道施工中的应用［J］.现代交通技术，2005（3）：55.

［4］ 朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2011.

［5］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［6］ 中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计规范JTG D70—2004［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］ 赵岩.大断面隧道施工过程荷载释放规律研究［D］.山东：山东大学，2011.

［8］ 铁道部经济规划研究院.铁路隧道工程施工技术指南TZ 204—2008［S］.北京：中国铁道出版社，2009.

Parameters of Ring Cut Method Adopted in Large Section Tunnel Soft Surrounding Rock

Deng Siyuan，Yang Qixin，Jiang Yajun，Ma pengyuan

Combined with a highway tunnel project in Hubei province，a 3D model of ring cut method is adopted to simulate different situations in tunnel construction，including the length of core soil and steps，the footage depth and the deformation of wall rock，in order to find the relationship between different factors of ring cut method and the stability of wall rock.Finally，the most economical parameters of ring cut method are obtained.The key issues in the tunneling are summarized，which can provide references for metro tunneling colleagues.

large section tunnel construction；soft surrounding rock；ring cut method；excavate parameters

U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2016.03.019

*中央高校基本科研业务费专项资金项目（SWJTU11ZT33）；教育部创新团队发展计划项目（IRT0955）

（2014-04-17）