基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

朱卫东

(中铁十六局集团第五工程有限公司， 河北 唐山 064000)

基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

朱卫东

(中铁十六局集团第五工程有限公司， 河北 唐山 064000)

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况，基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级，通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响，利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟，获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上，提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法，并对其控制效果进行验证。最后，分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素，得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明： 1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形； 2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用； 3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响，使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形； 4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位，除采用合理的开挖工法外，还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。

王岗山隧道； 超大断面隧道； 围岩亚分级； 三台阶法； 双侧壁导坑法； 三维数值模拟

0 引言

超大断面隧道工程的设计和施工均具有较大难度[1-2]。在软弱破碎地层区段，隧道的施工需要重视软岩大变形侵限、局部塌方和大规模涌水等危险[3-5]。隧道施工中围岩和支护体系变形处于动态变化中，不同的施工工法和支护体系围岩变形差异较大，软弱破碎地层中超大断面开挖围岩变形控制技术是当前铁路修建中急需解决的问题[6-8]。施工工法一般可决定处于软弱破碎地带隧道能否快速安全施工。大断面隧道软弱地层施工常采用三台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法，同时结合其他辅助工法，以达到控制围岩变形的目的[9-10]。一般情况下，软弱破碎围岩通常采用锚网喷、锚索、锚杆等联合支护形式，必要时采取超前小导管注浆加固[11-13]。由于模拟软弱地层大断面隧道开挖的过程复杂，采用试验方法研究其在复杂地质条件下的围岩变形难度较大，前人已基于数值分析对隧道开挖模拟进行了相关研究。文献[14-19]考虑了施工顺序、支撑形式和支撑间距等因素在隧道开挖过程中对围岩变形的影响。但上述研究成果不具备全面适用性，本文基于王岗山软弱破碎地层扁坦超大断面隧道探讨三台阶法和双侧壁导坑法快速施工过程中的围岩变形，通过ABAQUS有限元软件开展三维开挖模拟，比较双侧壁导坑法(见图1)和三台阶法(见图2)在控制围岩和隧道衬砌变形时的差异，提出最优的循环进尺参数及初期/临时支护形式。

图1双侧壁导坑法示意图(单位： m)

Fig. 1 Sketch diagram of double-side drift method (unit: m)

图2三台阶法示意图(单位： m)

Fig. 2 Sketch of three-bench method (unit: m)

1 工程概况

1.1概述

王岗山位于墨江县城东面，哀牢山脉南西侧。隧道进口位于水葵河右岸，里程为DK144+500；隧道出口位于他郎河左岸，里程为DK158+008。该隧道为双线隧道，全长1万3 508 m。隧道洞身区地面高程为1 100～1 750 m，最大开挖跨度为18.76 m，高12.84 m，截面面积约为191 m2。隧道断面大，围岩差，地质条件复杂，属于构造剥蚀中低山地貌，山坡多呈凸形坡，大部分地段基岩暴露。隧道测区构造极为发育，节理裂隙发育，地下水富水性强。隧道所处受构造影响的围岩以砂岩、泥岩、砾岩、页岩为主，其间夹有灰岩、煤线侵入岩体，整体岩质软。隧道测区位于哀牢山褶皱带，区内由一系列北西—北北西向的褶皱、断裂组成，主要为哀牢山构造带、墨江构造带和普洱构造带，受断层影响的不良地质主要有滑坡、岩溶、有害气体、高地应力、放射性和顺层偏压等，整体工程地质差。王岗山隧道属于超大断面隧道,施工风险高、难度大。王岗山隧道纵断面示意图如图3所示，部分施工图片如图4所示。

图3 隧道纵断面示意图

王岗山隧道入口80 m处位于软弱泥岩中。采用三台阶法开挖施工时，隧道出现变形过大且局部侵入限界的问题。隧道上方土体由于沉降变形出现了大范围裂缝，且采取临时竖向支撑等方法后，仍难以控制变形。隧道上方土体变形裂缝如图5所示(黄色旗子位置)。必须根据实际情况进行工法变更、优化施工参数和支护形式，以确保施工安全，并排除运营后可能发生的安全隐患。

(a) 开挖面

(b) 现场作业

(c) 竖向临时支撑

(d) 衬砌钢筋网

图4隧道施工图片

Fig. 4 Pictures of tunnel construction

(a) 裂缝分布情况1

(b) 裂缝分布情况2

图5隧道上方土体变形裂缝

Fig. 5 Deformation cracks of soil above tunnel

1.2水文地质概况

2 围岩分级及亚分级

2.1原设计围岩分级概况

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》围岩分级方法，原设计文件的围岩分级步骤如下： 1)根据岩石的单轴饱和抗压强度Rc确定岩石的坚硬程度； 2)根据岩体的结构面特征确定围岩的完整程度； 3)根据围岩的坚硬程度和完整程度初步对围岩进行分级； 4)在初步分级的基础上，考虑地下水状态、初始地应力状态等因素进行修正。原设计围岩分级如表1所示。

表1 原设计围岩分级表

2.2围岩亚分级结果

围岩分级是评价隧道围岩稳定性的重要参数，决定了隧道工程的设计和施工方案。分级的正确与否直接影响着隧道施工和运营安全。我国铁路行业隧道围岩分级标准是多参数分级法，着重引入结构面、断层、岩性、岩体结构等因素，并考虑地应力、地下水、隧道埋深等影响。因为该分级标准仍然是经验性的分级，实际应用中还有一定的困难。此外，根据原设计围岩分级选取的施工方案在实际施工过程中引起的隧道变形过大，因此对该工程的围岩采取较详细的定性分析并进行围岩亚分级是十分必要的。分级结果可作为修改工程设计文件和施工方法的理论参考。

基于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》、TB 10012—2007《铁路工程地质勘察规范》、GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》和JTG D70—2004 《公路隧道设计规范》等相关规范，将该隧道Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩分为2个亚级。围岩基本质量指标修正值

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

式中： BQ为围岩基本质量指标；K1为地下水影响修正系数；K2为主要软弱结构面产状影响修正系数；K3为初始地应力状态影响修正系数。

根据本工程的地质勘察资料： Ⅲ级围岩的Rc为55 MPa，Kv为0.5，K1、K2、K3分别取0.25、0.19、1.5；Ⅳ级围岩的Rc为45 MPa，Kv为0.34，K1、K2、K3分别取0.2、0.2、0.5。基于修正后的[BQ]，对围岩进行亚分级后的结果如表2所示。

表2 围岩亚分级表

3 施工过程模拟

3.1模型介绍

为研究开挖过程中不同围岩范围内隧道结构的变形及受力情况，基于围岩亚分级结果，充分考虑表2Ⅳ1—Ⅴ2级围岩存在的影响，采用ABAQUS软件对施工过程进行模拟。根据原设计方案，王岗山隧道基于围岩分级选用了全断面开挖、台阶法及三台阶法3种不同的施工工法。其中，最有利于控制隧道变形的为三台阶法，本文首先针对三台阶法模拟隧道开挖(见图6)，具体过程如下：

1)地应力平衡；

2)注浆、打锚杆、开挖上台阶进行初期支护、开挖中台阶进行初期支护、开挖下台阶进行初期支护、施工至规范要求的距离后施作二次衬砌；

3)循环2)至开挖结束，每一循环开挖进尺为2 m，台阶长6 m。

图6 三台阶法隧道开挖示意图

Fig. 6 Sketch diagram of tunnel excavated by three-bench method

三台阶法隧道开挖数值模型如图7所示。模型取开挖方向为100 m，横向宽度为140 m，隧道埋深方向为90 m，其中隧道跨度为18 m。隧道结构包括初期支护和二次衬砌，初期支护厚30 cm，二次衬砌厚80 cm。此外，在建模过程中考虑了注浆层及锚杆： 注浆层厚20 cm，采用实体单元模拟；锚杆长3 m，锚杆间距及排距均为1 m，采用三维杆单元模拟。

(a) 围岩模型图

(b) 三台阶开挖隧道结构模型图

Fig. 7 Numerical model of tunnel excavated by three-bench method

模型约束条件如下： 围岩模型上表面为自由面，其余各表面均约束法向的位移。模型中采用的材料参数如表3所示。围岩材料使用摩尔-库仑模型，锚杆及隧道衬砌均采用线弹性模型。

表3 材料参数表

3.2结果分析

三台阶法开挖模拟结果如图8所示。

(a) 竖向变形云图

(b) 水平变形云图

(c) 围岩应力云图

(d) 衬砌及注浆层应力云图

(e) 锚杆轴力

Fig. 8 Numerical simulation results of tunnel excavated by three-bench method

由图8可以看出，隧道经过不同地层时应力状态出现明显的突变，这种变化在穿越断层破碎带时尤为明显。此外，拱顶竖向收敛变形图和侧墙水平收敛变形图均示出断层破碎带处的结构变形最大，其中拱顶竖向变形达到8.7 cm，仰拱竖向变形达到2.8 cm，水平变形达到2.3 cm。这说明断层破碎带处的围岩性质较差，受扰动后易发生大变形，导致隧道结构变形过大，是控制隧道收敛变形的关键部位。隧道各部位的变形数值整体偏大，结合实际工程中三台阶法开挖的变形监测情况可知，三台阶法不适用于围岩性质较差的地层。

锚杆轴力如图8(e)所示。可以看出，拱顶范围内的锚杆受拉，最大值出现在断层破碎带处，为323.8 kN；拱脚范围内的锚杆受压，最大值也出现在断层破碎带处，为78.2 kN。此外，泥岩范围内的锚杆轴力均值大于其他围岩内的锚杆轴力的均值，说明锚杆在不良围岩中只要设置合理，是可以发挥重要作用的。

4 控制技术研究

4.1开挖工法对变形的影响研究

在实际工程中，部分区段出现了隧道收敛变形过大侵入限界的情况。为进一步控制隧道结构开挖施工中的变形值，本文提出变更施工工法、调整开挖进尺、增强初期支护强度和临时支护形式的综合方案，并通过数值分析验证该方案的有效性。

与三台阶法相比，双侧壁导坑法更适用于软岩地层中变形大的隧道施工。选用双侧壁导坑法作为调整后的工法，其隧道结构模型如图9所示。

图9 双侧壁导坑开挖隧道结构模型图

Fig. 9 Structural model of tunnel excavated by double-side drift method

围岩尺寸及材料参数均与三台阶法相同，具体开挖工程如下：

1)地应力平衡；

2)注浆、打锚杆、开挖左侧导坑进行初期支护、开挖右侧导坑进行初期支护、开挖上部核心土进行拱顶初期支护、开挖下部核心土进行底部初期支护、拆除临时支护施作二次衬砌；

3)循环2)至开挖结束，每一循环开挖进尺为2 m。双侧壁导坑开挖模拟结果如图10所示。可以看出，拱顶处围岩的竖向变形最大值为7.1 cm，仰拱处围岩竖向变形最大值为2.0 cm，围岩水平变形最大值为1.3 cm。最大值出现在断层破碎带处，出现位置与三台阶法相同，但其值均小于三台阶法，说明使用双侧壁导坑法可以有效控制围岩及隧道结构的变形。

(a) 竖向变形云图

(b) 水平变形云图

Fig. 10 Numerical simulation results of tunnel excavated by double-side drift method

4.2进尺及初期支护强度对变形的影响研究

基于双侧壁导坑开挖工法，提出调整开挖进尺、增强初期支护强度和临时支护采用复合管片的综合措施来控制隧道开挖产生的大变形。其中，临时支护为新型复合管片，具有刚度大、拼装精度高、易施工等优点，可作为山岭隧道临时支护使用，且使用后可拆卸循环使用，有利于降低成本。模型中基于受压刚度等效理论，新型复合管片的弹性模量设定为45 GPa，密度为3 200 kg/m3，在分析过程中通过改变材料参数实现临时支护的变更。此外，将进尺数值设置为4 m和6 m重新进行开挖模拟。各工况条件下的计算结果汇总如表4所示。可以看出，初期支护强度、开挖进尺和临时支护形式均对隧道衬砌的变形存在较大影响。临时支护使用复合管片时的隧道变形小于使用常规喷锚支护。使用临时支护为复合管片且每循环开挖进尺为4 m时，隧道结构变形最小，拱顶竖向变形最大值为5.2 cm，仰拱竖向最大变形为1.7 cm，水平变形最大值为1.0 cm。

5 结论与讨论

基于ABAQUS软件，通过建立三维开挖模型分别研究了三台阶法和双侧壁导坑法在隧道开挖时相应的围岩及隧道衬砌的变形情况，并进一步分析了不同循环进尺和临时支护为复合管片时对隧道衬砌和围岩变形的影响，得出结论如下。

1)初期支护强度、开挖进尺和临时支护形式均对控制变形产生影响。使用可拆卸的复合管片作为临时支护可有效提高施工效率，且能够循环使用，有利于降低工程造价。王岗山隧道采用双侧壁导坑法施工时，开挖进尺控制在4 m左右为宜。

2)锚杆在拱顶区域受拉，在拱脚区域受压，且地层条件越差，拱脚处锚杆轴力越显著，说明地层条件差时，锁脚锚杆可起到重要作用。

3)各工况计算结果显示，围岩和隧道衬砌的最大变形均产生在断层破碎带处。该隧道在穿越断层破碎带时在采用双侧壁导坑法的基础上，增设临时支护和超前导管注浆及管棚支护等一系列控制变形的措施，以确保安全施工。

4)进行围岩亚分级，为王岗山隧道施工方法的改良提供了理论依据，并针对双侧壁导坑法应用后变形控制的有效性及关键控制因素进行了研究。但讨论的相关因素较为有限，双侧壁导坑法在软弱地层中的优势需要结合控制开挖变形的具体措施深入分析，其他施工工法在王岗山隧道工程中应用的可行性也有待进一步研究。

表4 不同工况计算结果汇总表

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StudyofOptimizationofConstructionTechnologiesforSuper-largeCross-sectionSoftRockTunnelBasedon3DNumericalSimulation

ZHU Weidong

(The5thEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway16thBureauGroup,Tangshan064000,Hebei,China)

The surrounding rocks of Wanggangshan Tunnel are sub-classified based on railway design standards and surrounding rock classification standards; the tunnel construction process is simulated by finite element software ABAQUS considering excavation direction, complex surrounding rock conditions and fault and fracture zone; and the characteristics of stress and deformation of tunnel lining and surrounding rock after three-bench excavation are obtained. And then, the double-side drift method which is favourable for deformation control is put forward; and the deformation control effect is verified. Finally, the influencing factors on deformation of tunnel lining and surrounding rock are analyzed; and the optimal advancing parameters and primary/temporary support mode are obtained. The numerical calculation results show that: 1) The excavation-induced deformation of tunnel lining and surrounding rock can be effectively controlled by double-side drift method. 2) The anchor bolt plays a significant role in complex strata. 3) Cyclic advancing and primary support strength have influence on excavation induced deformation; and the deformation of tunnel lining and surrounding rock can be effectively controlled by using new composite segment primary support. 4) The fault and fracture zone is the key to Wanggangshan Tunnel; as a result, rational excavation method and relevant auxiliary surrounding rock disturbance reducing methods should be adopted.

Wanggangshan Tunnel; super-large cross-section tunnel; sub-classification of surrounding rock; three-bench method; double-side drift method; 3D numerical simulation

2017-07-12;

2017-10-10

朱卫东(1971—)，男，陕西眉县人，2006年毕业于天津大学，建筑与土木工程专业，硕士，高级工程师，现从事施工管理工作。E-mail： zhuweidongg@sina.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.016

U 45

A

2096-4498(2017)11-1462-07