基于流固耦合理论下不同开挖方式的位移影响分析——以阿嘎下隧道为例*

曹彬 刘海明 郭伟 张延杰 杨志华

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南建投基础工程有限责任公司 昆明 650500;3.保(山)施(甸)高速公路投资开发有限公司 云南保山 678200)

0 引言

在山区地质较为复杂的区域，不可避免地会出现塌方、突水等一系列问题，导致隧道施工开挖过程中存在较大风险，因此研究不良地质隧道的开挖方法，对是否能合理保证隧道的施工进度、质量以及安全竣工具有重要意义[1-2]。

目前国内外学者针对隧道开挖方式对周围土体的扰动进行了大量研究。徐东强等[3]对比不同开挖方法对隧道围岩位移与应力的影响，得出双侧壁导洞法最优、预留核心土法次优的结论；管新邦[4]对比不同开挖方法，结果表明采用预留核心土法和台阶法进行施工时有利于围岩稳定；朱泽兵等[5]利用有限元软件对比地表沉降值，分析各方法的优劣；朱宝合等[6]利用有限元软件分析不同开挖方法下隧道围岩位移及应力变化，得出最优施工方法；张浩等[7]通过进行模拟试验讨论了不同开挖方式对周围土体的扰动情况。现有文献多为针对不同开挖方式对隧道周围土体扰动的研究，但基于流固耦合理论针对不同开挖方式的围岩位移变化情况及最优施工工况的研究较少。

本文依托阿嘎下隧道，采用有限元midas GTS NX分别模拟CRD开挖法、三台阶开挖法、环形开挖预留核心土法在左右线同步开挖并考虑流固耦合工况下围岩位移的变化情况，通过控制变量法分别模拟开挖间距为1d～5d(d为隧道净宽)时不同注浆圈厚度下地表沉降量，确定开挖围岩稳定性影响相对较小且开挖方式经济的选择，得出最佳开挖间距和注浆圈厚度，旨在为其他类似隧道施工开挖方式的选取提供参考。

1 模型的建立

本文依托阿嘎下隧道的工程概况，模拟隧道(K19+160)～(K19+300)段，经过合理简化后通过midas GTS NX建立三维模型，模型围岩等级为V级强风化糜棱岩。针对裂隙水发育及岩体破碎V级围岩，本文分别采用CRD开挖法、三台阶开挖法、环形开挖预留核心土法对阿嘎下隧道进行模拟开挖。

模型计算区域：隧道平均埋深取35 m，地下水位线高度取95～105 m，为消除边界条件的影响，从隧道开挖区域向两侧各取略大于5倍的洞径，向下取略大于5倍的洞高，向上至地表，模型尺寸横向长为240 m，竖向高为116～126 m，纵向沿隧道轴线方向长为140 m。环形开挖预留核心土法划分为359 534个单元和242 059个节点，三台阶开挖法划分为313 824个单元和217 210个节点，CRD开挖法划分为343 189个单元和236 369个节点。在提取模型数据时，为消除隧道轴线方向边界影响，提取模型轴向区间80～100 m段(即模型中心区间20 m)结果作为研究依据，计算模型如图1所示，围岩及隧道衬砌相关物理力学参数如表1所示。建立的模型为3D，重力方向为z轴方向，重力加速度为9.8 m/s2，水的容重取9.8 kN/m3。边界约束：考虑流固耦合时[8]，在施加静力约束的同时，根据勘探水位条件，在模型两侧施加总结点水头95～105 m。

图1 隧道模型网格

表1 阿嘎下隧道物理参数

阿嘎下隧道在施工过程中，不可避免地会造成周围土体的扰动，进而导致周围土体变形。因此，在CRD开挖法、三台阶开挖法及环形开挖预留核心土法3种方式开挖过程中，要加强对隧道周围开挖土体的监测，通过进行开挖隧道地表位移监测从而掌握围岩变形的关键参数。布置在距两隧道中心左右各80 m(每2 m布置一个监测点)的地表位移监测点的布置示意如图2所示。

2 不同开挖方式模拟开挖主要步骤

(1)环形开挖预留核心土法：开挖进尺为0.6 m，台阶长度为8 m，开挖示意如图3所示。

图2 地表位移监测示意

(2)CRD开挖法：拱部超前支护→左侧上部开挖→左侧上部初期支护→左侧下部开挖→左侧下部初期支护→右侧上部开挖→右侧上部初期支护→右侧下部开挖→右侧下部初期支护→分段拆除临时支护→仰拱及回填施工→(重复前述步骤，直到开挖结束)[9]。开挖进尺为0.6 m，台阶长度为8 m，开挖示意如图4所示。

1—超前支护；2—上台阶弧形开挖；3—上台阶初期支护；4—上台阶核心土开挖；5—中台阶侧部开挖；6—中台阶初期支护；7—中台阶核心土开挖；8—下台阶侧部开挖；9—下台阶初期支护；10—下台阶核心土及仰拱开挖；11—仰拱初期支护。图3 环形开挖预留核心土法示意

(3)三台阶开挖法：拱部超前支护→上弧形导坑开挖→上导坑拱部初期支护→中部开挖→边墙初期支护→下部开挖→下导坑边墙初期支护→仰拱及回填施工→边墙二衬施工→(重复前述步骤，直到开挖结束)[10-11]。开挖进尺为0.6 m，台阶长度为8 m，开挖示意如图5所示。

3 考虑流固耦合下阿嘎下隧道围岩位移影响分析

3.1 CRD开挖法地表位移

采用CRD开挖法，开挖间距分别为1d、2d、3d、4d、5d时，隧道不同注浆圈左线与右线同步开挖地表沉降量如图6～图10所示。

1—左侧上部开挖；2—左侧下部开挖；3—右侧上部开挖；4—右侧下部开挖。图4 CRD开挖法示意

图5 三台阶开挖法示意

图6 CRD法开挖间距1d地表沉降量 图7 CRD法开挖间距2d地表沉降量 图8 CRD法开挖间距3d地表沉降量

图9 CRD法开挖间距4d地表沉降量 图10 CRD法开挖间距5d地表沉降量

在考虑流固耦合情况下，对CRD开挖法分析如下：

(1)对图6～图10分析发现：若开挖间距保持不变，0.1d注浆圈引起地表沉降量最大，0.5d注浆圈引起地表沉降量最小，沉降量随注浆圈的增大而减小；0.3d～0.5d注浆圈的沉降量曲线相差不大，且相对于0.1d～0.2d注浆圈的沉降量较小，但从低耗能、环保经济角度考虑，注浆圈厚度越小越好。综合考虑，CRD开挖法在流固耦合工况下，建议注浆圈范围在0.3d～0.4d较为适宜。

(2)分析表明：开挖间距为1d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-23.5 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-20.2 mm，沉降差为3.3 mm；开挖间距为5d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-16.3 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-15.3 mm，沉降差为1 mm。在流固耦合作用下，明显可以看到随着开挖间距的增加，沉降差从3.3 mm减小至1 mm，充分表明控制好开挖间距能减小开挖引起的沉降。

3.2 三台阶开挖法地表位移

采用三台阶开挖法，开挖间距分别为1d、2d、3d、4d、5d时，隧道不同注浆圈左线与右线同步开挖地表沉降量如图11～图15所示。

图11 三台阶法开挖间距1d地表沉降量 图12 三台阶法开挖间距2d地表沉降量 图13 三台阶法开挖间距3d地表沉降量

图14 三台阶法开挖间距4d地表沉降量 图15 三台阶法开挖间距5d地表沉降量

在考虑流固耦合情况下，对三台阶开挖法分析如下：

(1)对图11～图15分析表明：开挖间距为1d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-42.8 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-32.4 mm，沉降差为10.4 mm；开挖间距为2d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-38.3 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-29.6 mm，沉降差为8.7 mm；开挖间距为3d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-33.7 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-26.7 mm，沉降差为7 mm；开挖间距为4d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-30 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-24 mm，沉降差为6 mm；开挖间距为5d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-29.6 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-22.9 mm，沉降差为6.7 mm。

(2)在流固耦合工况下，三台阶开挖引起地表沉降较大，但是通过增加开挖间距和注浆圈厚度，地表沉降量从0.1d注浆圈、1d开挖间距的-42.8 mm，减小到0.3d注浆圈、3d开挖间距的-28.8 mm(减小近32.7%)，减小到0.3d注浆圈、4d开挖间距的-25.8 mm(减小近39.7%)，减小到0.5d注浆圈、5d开挖间距的-22.9 mm(减小近46.5%)，表明增加开挖间距能有效控制地表沉降。

3.3 环形开挖预留核心土法地表位移

采用环形开挖预留核心土法，开挖间距分别为1d、2d、3d、4d、5d时，隧道不同注浆圈左线与右线同步开挖地表沉降量如图16～图20所示。

在考虑流固耦合情况下，对环形开挖预留核心土法分析如下：

(1)对图16～图20分析表明：开挖间距为1d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-48.2 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-34.4 mm，沉降差为13.8 mm；开挖间距为2d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-43 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-31.5 mm，沉降差为11.5 mm；开挖间距为3d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-37.5 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-28.3 mm，沉降差为9.2 mm；开挖间距为4d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-33.4 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-25.4 mm，沉降差为8 mm；开挖间距为5d时，地表最大沉降量为0.1d注浆圈的-32.7 mm，最小沉降量为0.5d注浆圈的-25.1 mm，沉降差为7.6 mm。

图16 核心土法开挖间距1d地表沉降量 图17 核心土法开挖间距2d地表沉降量 图18 核心土法开挖间距3d地表沉降量

图19 核心土法开挖间距4d地表沉降量 图20 核心土法开挖间距5d地表沉降量

(2)在流固耦合工况下，环形开挖预留核心土法引起地表沉降较大，但是通过增加开挖间距和注浆圈厚度，地表沉降量从0.1d注浆圈、1d开挖间距的-48.2 mm，减小到0.3d注浆圈、3d开挖间距的-31.1 mm(减小近35.5%)，再减小到0.3d注浆圈、4d开挖间距的-27.8 mm(减小近42.3%)，最后减小到0.5d注浆圈、5d开挖间距的-25.1 mm(减小近48%)，表明增加开挖间距能有效控制地表沉降。

3.4 不同开挖法地表位移对比

在流固耦合下，通过对CRD法、三台阶法、环形开挖预留核心土法3种开挖方式在不同开挖间距工况下的研究发现，每种开挖法在3d～4d开挖间距、0.3d注浆圈较为适宜，下面主要对3种开挖法在3d～4d开挖间距、0.3d注浆圈时的地表沉降量进行分析，如图21、图22及表2所示。可以看出，对于0.3d注浆圈、3d～4d开挖间距，CRD法地表沉降量最小，环形开挖预留核心土法沉降量最大，这是由于CRD开挖法有中隔墙支撑，导致沉降量减小，但从施工角度看，CRD法施工过程较为复杂，工期较长，造价高，除非地质条件极差，一般建议不采用CRD法施工。本模拟CRD法开挖136步，三台阶法开挖112步，环形开挖预留核心土法开挖140步，环形开挖预留核心土法开挖比三台阶法、CRD法开挖所需步时长，最终监测结果是以步时结束为止，导致环形开挖预留核心土法地表沉降量比三台阶法在开挖间距为3d时大7.4%、4d时大7.2%，同时表明围岩开挖完成后，地应力荷载未完全释放，预留的核心土能有效支撑开挖面的稳定。为保证开挖面的稳定，采用环形开挖预留核心土法，符合实际需求。

图21 不同开挖法开挖间距3d、注浆圈0.3d地表沉降量

图22 不同开挖法开挖间距4d、注浆圈0.3d地表沉降量

表2 不同开挖法开挖间距3d～4d、注浆圈0.3d地表最大沉降量 mm

4 结论

(1)研究3种不同开挖方式下围岩地表沉降规律，结果表明，随着注浆圈从0.1d增加至0.5d，3种开挖方式地表沉降量均呈减小趋势。

(2)在考虑流固耦合工况下，开挖间距的增加会使地表沉降量变小，因此合理增加开挖间距能减小地表沉降。

(3)在考虑流固耦合工况下，分析渗流作用对围岩地表沉降的影响，建议类似阿嘎下隧道工程采用环形开挖预留核心土法，开挖间距为3d、注浆圈为0.3d为宜。

(4)对于0.3d注浆圈、3d～4d开挖间距，CRD开挖法引起的地表沉降量最小，环形开挖预留核心土法引起的沉降量最大。