山岭隧道断层破碎带富水段开挖方法的对比分析

陈 亮，曾永军

(广东省南粤交通韶赣高速公路管理中心，广东 韶关 512522)

0 引言

小北山1号隧道F3 断裂于地表 ZK16+500(K16+460)通过隧址区。断层范围大，断裂带通过隧道(K16+150～K16+600)处范围围岩破碎、裂隙发育，易形成地下水的通道及富集带，围岩级别低。隧道掘进至 ZK16+480时，掌子面右半幅围岩由质地坚硬的中风化花岗岩突变为全风化辉绿岩，塌方堆积体约 280m3，为松散土状，整体呈深灰绿色。隧道全断面开挖会对破碎带土体带来扰动，甚至导致隧道掌子面发生塌方，对隧道施工安全带来影响，不宜采用全断面开挖方法。

1 FLAC3D 模拟隧道分部开挖法

采用 FLAC3D 有限元法对不同的开挖工法进行模拟，比较不同工法对隧道结构的影响，分析不同围岩等级下隧道开挖掌子面处的状态，得出在断层破碎带中进行隧道开挖需要减少对围岩体的扰动，以保证隧道开挖的安全。

1.1 建立数值模型

隧道开挖工法见表 1，计算模型如图1所示。通过模拟计算分析，考察隧道动态施工触发围岩的位移、应力和塑性区的特性及其对隧道结构的影响，为工程提供建议的施工方法。

表1 开挖工法

图1 FLAC3D计算模型

对于隧道断层富水段的计算，采用 FLAC3D 有限元法计算隧道结构内力，围岩和初期支护均采用实体单元模拟，围岩采用 Mohr-Coulomb 本构关系，初期支护单元采用弹性本构。模型宽 221m，高 145m，纵向长度等于开挖长度为 60m，隧道中心计算水头高度159m。模型考虑水的影响，采用流固耦合计算，在整个开挖模拟过程中主要监测隧道拱顶处的沉降位移和隧道拱底的位移。模型边界条件：模型左右边界方向约束X方向位移,固定孔隙压力采用透水边界；前后边界方向约束Y方向位移,允许孔隙水压力变化；底面约束Z方向位移,固孔隙压力采用透水边界；顶面为自由面。在开挖过程中由于隧道周边围岩破碎，且隧道处于富水地段，施工对开挖隧道进行及时支护，为减少对围岩体的扰动，开挖进尺选为1m。

1.2 不同工法对隧道结构的影响

1.2.1 两种三台阶法之间的比较

在 FLAC3D 中模拟三台阶法开挖时，将第一种三台阶法的上台阶长度控制在 5m，第二种台阶法的上台阶长度控制在 10m，以比较不同台阶长度对计算结果的影响。考虑到边界效应对计算结果的影响，分析计算结果时以模型 30m处的结果为参考。

图2 上台阶为 5m的三台阶法竖向位移云图

图3 上台阶为10m的三台阶法竖向位移云图

图2和图3分别列出了考虑流固耦合效应下两种不同上台阶长度的三台阶法的围岩位移分布，可以发现两者的位移基本成对称分布，位移场分布也大致相同。隧道顶部位移表现为隧道开挖后拱顶下沉，并带动上方一定区域内的围岩产生向下位移，5m上台阶开挖的三台阶法其顶部的沉降量为 4.03cm，以 10m上台阶开挖的三台阶法其顶部的沉降量为 4.35cm。两种工法开挖的最大正向位移值分别为 10.58cm 和 11.11cm，出现在隧道的拱底，表现为由于隧道开挖卸载和强大的水压作用引起底部回弹。

图4 上台阶为 5m的三台阶法初期支护最大主应力图

图5 上台阶为10m的三台阶法初期支护最大主应力图

图6 上台阶为 5m的三台阶法围岩塑性区

图7 上台阶为10m的三台阶法围岩塑性区

图4至图7分别为两种不同三台阶开挖方式下隧道初期支护上的最大主应力云图和隧道围岩塑性区分布图。从图中可以直观地发现两种开挖方式下最大主应力值分布形式大致相同，均出现在初期支护的拱脚处，其中上台阶为 5m的三台阶法其拱脚处最大主应力值稍大，为 2.816MPa;上台阶为 10m的三台阶法其拱脚处最大主应力值为 2.692MPa。对比两种工法下塑性区的分布图，可以发现两种工法在开挖过程中出现过塑性区的范围大致相当。两种工法均在隧洞周围形成闭合的塑性区，虽然上下台阶均为 10m的三台阶法塑性区半径较上台阶 5m下台阶 10m的三台阶法略小，但隧道顶部的塑性区一直存在。总的来说上台阶 5m下台阶10m的三台阶法与上、下台阶均为 10m的三台阶法相比较，两者之间的差异并不明显。考虑隧道在断层破碎带中开挖，应尽量减小围岩变性和沉降，以隧道拱顶沉降量作为首要参考因素，上台阶 5m下台阶10m的三台阶法能更好地防止隧道顶部发生塌落。

1.2.2 两台阶法与三台阶法比较

采用 FLAC3D 模拟两台阶时台阶的长度控制为 10m，从计算结果来看两台阶开挖的位移场分布状态和三台阶法的位移场分布没有很大区别，同样也是对称分布的状态。在模拟计算过程中，考虑到两台阶开挖时一次开挖范围较大，对隧道周边岩土体造成的扰动较大，通过增加计算步数的形式来模拟开挖对地应力的二次影响的程度。从计算结果来看，采用两台阶开挖时，隧道拱顶的沉降量比三台阶开挖时要大，达到了 4.73cm。引起沉降量增大的原因主要还是由于开挖对上部土体扰动与比三台阶相比要大，此外支护施加也没有三台阶法及时。

图8 两台阶法竖向位移云图

图9 上台阶为10m的三台阶法竖向位移云图

图10 两台法初期支护最大主应力图

图11 上台阶为10m的三台阶法初期支护最大主应力图

比较两种工法下隧道初期支护上的最大主应力值云图，可以发现两台阶法最大主应力分布云图与三台阶相比大致相同，其拱脚处的最大主应力值同样是初期支护上最大的，数值为 2.99MPa，与三台阶法相比要稍大些。两台阶法其初期支护底部的位移量虽然没有三台阶法大，但初期支护底部的最大主应力值仍比三台阶法大，数值为1.16MPa。从图12和图13可以看出，两种工法的塑性区半径大致相同。但是两台阶法除了在拱底出现了受拉塑性区外，其左右拱肩处的受拉塑性区范围较大，容易造成两侧土体破坏，引起垮塌。

图12 两台阶法围岩塑性区

图13 上台阶为10m的三台阶法围岩塑性区

1.2.3 核心土法与上台阶为 5m的三台阶法比较

从之前的计算结果比较来看,尽量减小对围岩体的扰动，及时支护可以使隧道拱顶沉降量减小，避免塌方的发生。进一步的，模拟核心土长度为 5m，下台长度为10m的预留核心土法开挖，将其计算结果与上台阶 5m下台阶 10m的三台阶开挖法进行比较，两者的位移云图、初期支护上最大主应力图以及围岩塑性区分布图见图14和图15所示。

图14 核心土法竖向位移云图

图15 上台阶为5m的三台阶法竖向位移云图

分析计算结果可以得到：预留核心土法开挖引起的顶部沉降和底部回弹比三台阶法要略小一些，顶部沉降量为 3.98cm，底部位移为 10.23cm。核心土法开挖初期支护上的最大主应力也较三台阶法小。在塑性区的分布上，两者在隧道底部和隧道的拱肩部均出现了受拉塑性区，核心土法围岩塑性区半径比三台阶法大。

图16 核心土法初期支护最大主应力图

图17 上台阶为5m的三台阶法初期支护最大主应力图

图18 核心土法围岩塑性区

图19 上台阶为5m的三台阶法围岩塑性区

2 四种工法对比分析

将四种工法Y=30m断面处的隧道拱顶下沉、底部隆起绘制成图表，进行直观比较，见表2。采用两台阶法开挖引起的拱顶下沉为最大，而底部隆起最大出现在上下台阶均为 10m的三台阶法中，采用预留核心土法时得到的底部隆起和拱顶沉降量是四种工法中最小的。四种工法的拱底隆起位移均在10cm以上，这对仰拱的施工，以及隧道初期支护提出了较高的要求。

表2 四种工法拱顶沉降与拱底位移量

四种工法初期支护上最大主应力值汇总见表3。初期支护上的最大主应力值均出现在初期支护的左右拱脚处，预留核心土法的初期支护上拱脚最大主应力是四种工法中最小的。初期支护作为重要的承载结构，在维护隧道稳定的同时势必承受较大的围岩应力，在软弱破碎围岩状态下，加上地层中较高的水压，使得初期支护在拱顶和拱底位移较大的情况下，整个支护结构在拱脚处出现较大的应力值。

表3 初期支护上最大主应力值

四种工法进行隧道开挖过程中，在隧道四周的岩层中均出现闭合的塑性区，在支护结构底部的围岩均出现了受拉塑性区。四种工法顶部和拱肩处的塑性区存在着一定的差别，差别主要在于拱肩处受拉塑性区的范围。从计算结果可见,两台阶法施工引起的塑性区范围最大，从拱肩一直延伸至拱脚附近，其他三种工法受拉塑性区范围大致相同。

3 结论

通过对小北山隧道拟采用的几种工法的数值计算与对比，得出如下结论：

采用 FLAC3D 有限元模拟分部开挖的几种工法，考虑水的影响所得的计算结果表明拱底隆起位移较大，在施工过程中需要注意。计算结果显示，尽量减小对围岩体的扰动可以对隧道顶部的沉降控制起到一定的作用，拱肩处出现的受拉塑性区在施工过程中容易造成洞室的整体失稳，需要及时支护。所模拟的四种工法中预留核心土法安全可靠度最高，为施工安全综合考虑，F3断裂带部分采用了该种施工方法。实际施工时，在左幅ZK16+480～ZK16+518及右幅K16+150～K16+600段采用了预留核心土法，隧道顺利掘进，取得了较好的效果。隧道通车后，该段落未发现二衬砼存在异常情况，隧道通车运营情况良好。