山岭隧道开挖施工方案比选研究

黄必洲 姚云杰

摘要：文章采用有限元软件MIDAS/GTS分别建立山岭隧道全断面法和三台阶法两种施工模型，通过设置监测点，重点分析了两种施工方法的位移、最大主应力变化规律，并对比分析了两种方法施作后的围岩塑性区大小和位置。结果表明：相对于全断面法施工，采用三台阶法施工时隧道拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚变形值分别减小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，在结构设计中应该考虑加强仰拱处的结构强度设计以增加仰拱处围岩稳定性;全断面法施工对拱脚影响较大，三台阶法施工对仰拱和拱脚影响均较大，设计和施工时应该对上述点进行重点关注，必要时采取加固措施;运用全断面施工方法时塑性区主要出现在两侧拱脚位置，而运用三台阶施工方法时塑性区主要出现在两侧拱脚位置以及侧墙和拱脚之间的拱腰位置，且前者塑性区面积要大于后者;综合分析围岩位移、最大主应力以及塑性区大小等方面可知，采用三台阶施工方法更为优越。

关键词：山岭隧道;变形;最大主应力;塑性区;施工方法

0 引言

近年来，随着国家对基础设施建设的大力投入，逢山开路、遇水架桥等情形随处可见，隧道工程作为穿山常用的施工方式，被廣泛应用于各个工程中。山岭隧道常用的开挖方法有全断面法和分台阶法，二者被广泛应用到山区隧道建设当中。近年来，有关隧道施工方法的研究主要有：刘宇鹏、陈海帆等[1-2]采用数值模拟对浅埋大跨径连拱隧道不同施工方案围岩应力场、位移场和塑性区变化规律进行了数值分析，研究结果可为连拱隧道的优化设计提供可靠的理论依据;徐东强、刘东等[3-4]以Ⅳ级围岩段隧道为研究对象，采用FLAC3D软件，采用Hoek-Brown屈服准则对替代仰拱的新型支护方案进行了分析，并提出了Ⅳ级围岩下替代仰拱的条件;张联志等[5]分析了隧道拱顶出现塌方的原因以及所采用加固措施的有效性，并对塌方周边断面加固前后围岩位移和支护结构应力进行了监测，最后利用FLAC3D软件对隧道塌方段进行数值模拟分析;熊鑫等[6]以北岭山隧道为工程背景，采用有限元软件ANSYS建立软弱围岩段深埋宽长隧道施工模型，得出了隧道循环施工的应变规律，通过与现场监控量测数据对比，验证了其合理性。

为了分析隧道全断面施工和分台阶施工二者的优缺点，本文以山岭隧道为例，采用有限元软件MIDAS/GTS分别建立全断面和三台阶法隧道施工模型，通过设置监测点，重点分析了隧道开挖之后两种施工方法的位移、最大主应力变化规律，并对比分析了两种方法施作后的围岩塑性区大小和位置，研究结果可为类似地区隧道设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某山岭地区拟建隧道工程，全长1.8 km，该区域围岩等级以Ⅳ为主，主要包含有碎石土、变质岩、砂岩、板岩以及角砾石等，结构较为松散，围岩稳定性较差。该处地形起伏较大，山体海拔高程在1 100～1 600 m范围内，山顶树木较为密集，部分基岩裸露。根据初步设计，拟定断面为三圆心弧组成，隧道最大宽度为11.2 m，最大高度为8.8 m，拟采用全断面法施工或三台阶法施工。为了对比两者优异性，文中采用数值分析方法进行对比分析。

2 数值建模

如图1所示，以典型断面DK0+320～DK0+686段为研究对象，采用大型有限元软件MIDAS/GTS建模进行分析。本文中，隧道尺寸按实际大小和形状建立，考虑到隧道的洞径以及开挖影响范围，所建模型长、宽、高分别为70 m、30 m和50 m，隧道中心埋深为25 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。隧道支护形式为初支和二次支护，即锚杆+钢筋网+喷射混凝土+二次衬砌。初支喷浆厚度为25 cm，二次衬砌厚度为40 cm，锚杆长度为3.0 m，直径为25 mm，间距为2 m，横断面上共计33根。其中隧道围岩采用实体单元建立，锚杆和衬砌采用结构单元，并将钢筋网等折合到混凝土上，模型网格共计12 642个。如图2所示，为采用全断面开挖施工和三台阶法开挖施工模型图，在开挖之前分别在拱顶、左右侧墙、拱脚以及仰拱处设置位移和应力监测点，详见图2（a）。三台阶法开挖施工分三步：开挖上台阶、中台阶和下台阶。对于全断面法，单次循环掘进均为2 m，共分15次循环掘进完成;对于三台阶法，单次循环掘进均为2 m，且上台阶和中台阶始终超前下台阶4 m和2 m。表1和表2给出了围岩、锚杆以及衬砌的相关力学参数。

3 数值结果分析

3.1 监测点变形分析

通过数值试验，可以得出拱顶的位移方向为竖直向下、侧墙和拱脚的位移方向为朝向洞内、仰拱的位移方向为竖直向上的结果。为了分析全断面法和三台阶法的差异，本节以各监测点变形量为竖坐标，施工步为横坐标，分析各监测点的位移变化趋势，其中一个施工步即为单个开挖循环。如图3所示，在达到4个施工步时，全断面法施工时监测点位移已经基本趋于稳定。四个监测点中，拱顶最大变形值为18.1 mm，仰拱、侧墙以及拱脚的最大变形值分别为23.7 mm、2.3 mm和1.9 mm。如图4所示，为三台阶法施工时监测点随施工步的变形值。四个监测点中，拱顶最大变形值为11.4 mm，仰拱、侧墙以及拱脚的最大变形值分别为12.2 mm、1.9 mm和1.6 mm。

分析可知，采用三台阶法时，其拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚的位移均小于采用全断面法施工。相对于全断面法施工，拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚变形值分别减小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱顶和仰拱减小幅度较大。此外，观察图3和图4可以发现，在两种施工方法中，仰拱的隆起值均超过了拱顶的沉降值，这与模拟过程中未在仰拱处施作锚杆有关，在结构设计中应该考虑加强仰拱处的结构强度设计以及增加仰拱处的围岩稳定性。

3.2 监测点最大主应力分析

隧道开挖会引起应力释放，研究隧道附近围岩的最大主应力可以为隧道附近围岩的松散程度提供参考。通过数值试验，可以得出4个监测点的应力均为压应力的结果。为了分析全断面法和三台阶法的差异，本节以各监测点压应力值为竖坐标，施工步为横坐标，分析各监测点的压应力变化趋势。图5为全断面法施工时4个监测点的最大主应力值，由图可知：4个监测点应力值都逐渐减小，其中拱脚应力释放最为明显，其他3点应力释放水平较小。相对于初始值，最终拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚应力分别减小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。图6为三台阶法施工时4个监测点的最大主应力值，由图可知，与全断面开挖法不同，三台阶法施工时围岩扰动次数较多，出现最大主应力上下浮动跳跃的现象，相对于初始值，最终拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚应力分别减小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。

综上可知，全断面法施工对拱脚的影响最大，三台阶法施工对仰拱和拱脚影响较大。采用上述施工方式时，应该对上述各点重点关注，必要时采取加固措施。

3.3 隧道围岩塑性区分析

隧道开挖后，围岩塑性区的大小及位置在一定程度上能反映围岩的稳定状态。如图7所示，提取两种施工方法开挖完成之后的围岩塑性区进行对比。如图7（a）所示，采用全断面施工方法时，塑性区主要出现在两侧拱脚位置;采用三台阶施工方法时，塑性区主要出现在两侧拱脚位置以及侧墙和拱脚之间的拱腰位置。此外，对比两个图可以发现，全斷面施工时塑性区的面积要大于三台阶施工法。

综上可知，综合分析围岩位移、最大主应力以及塑性区大小等方面可知，相对于全断面法，采用三台阶施工方法时围岩的稳定性更好，对于维持围岩稳定性较好。

4 结语

本文以山岭隧道为例，采用有限元软件MIDAS/GTS分别建立全断面法和三台阶法隧道施工模型，通过设置监测点，重点分析了隧道开挖之后两种施工方法的位移和最大主应力变化规律，并对比分析了两种方法施作后的围岩塑性区大小和位置，主要得到如下结论：

（1）相对于全断面法施工，采用三台阶法施工时隧道拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚变形值分别减小了37.0%、48.5%、17.4%和15.8%，其中拱顶和仰拱减小幅度较大。两种施工方法中仰拱的隆起值均超过了拱顶的沉降值，在结构设计中应该考虑加强仰拱处的结构强度设计，以增加仰拱处围岩的稳定性。

（2）全断面法施工时，相对于初始值，最终拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚的最大主应力分别减小了10.9%、27.8%、20.0%和87.3%。而三台阶法施工时拱顶、仰拱以及侧墙和拱脚的最大主应力分别减小了6.8%、51.2%、12.7%和67.9%。即全断面法施工对拱脚的影响较大，三台阶法施工对仰拱和拱脚的影响较大。设计和施工时应该对上述几点进行重点关注，必要时采取加固措施。

（3）运用全断面法施工时塑性区主要出现在两侧拱脚位置，而运用三台阶施工方法时塑性区主要出现在两侧拱脚的位置以及侧墙和拱脚之间的拱腰位置，且前者塑性区的面积要大于后者。

（4）综合分析围岩位移、最大主应力以及塑性区大小等方面可知，三台阶施工方法更优越。

[1]刘宇鹏，王玉标，李永斌.浅埋大跨径连拱隧道不同施工方案对比分析[J].公路，2014（5）：142-146.

[2]陈海帆，傅鹤林，周 明.浅埋偏压隧道洞口段施工方案的数值模拟与分析[J].企业技术开发，2014，33（31）：11-14.

[3]徐东强，薛宇飞.基于现场监测与数值模拟公路山岭隧道Ⅳ级围岩段仰拱优化分析[J].科学技术与工程，2018，18（32）：88-93.

[4]刘 东，傅鹤林，马 婷，等.高水压山岭隧道注浆孔参数优化数值模拟分析[J].矿业研究与开发，2013（4）：40-43.

[5]张联志，陈 伟，陈 贺，等.山岭隧道塌方处理加固措施及FLAC3D模拟对比分析[J].湖南工业大学学报，2013，27（3）：36-40.

[6]熊 鑫，吴政隆.隧道动态施工数值模拟分析研究[J].土工基础，2015（5）：45-47，61.

作者简介：黄必洲（1975—），工程师，研究方向：公路隧道日常养护。