大断面隧道分部开挖位移释放规律数值模拟研究

唐勇三

(平潭综合实验区交通投资集团有限公司， 福建 福州 350400)

隧道开挖必然引起周边围岩的位移释放与应力重分布，分部开挖与支护使上述释放与重分布过程受多掌子面时空效应的影响更复杂。周边围岩的位移量测数据相对容易获取，因而关于位移释放规律与支护时机的选择一直是关注重点。位移释放率为掌子面后方某点围岩发生的变形值与该点最终变形值之比，是选择合理支护时机的重要评判标准。许多学者通过数值模拟、理论分析等对山岭隧道开挖后位移释放规律展开了研究，如Huang Feng等基于软岩损伤本构模型，采用Abaqus对隧道开挖后围岩位移释放率和围岩损伤区进行研究，得到了其空间分布规律；郭瑞等通过数值模拟，得到采用开挖体积损失率来描述洞周位移释放更全面；刘乃飞等通过数值模拟，对位移释放系数随多掌子面推进的影响关系展开了研究；张妍珺等采用有限差分软件FLAC3D，基于位移释放系数法，提出了隧洞纵向变形曲线的修正公式；苏永华等对静水应力场中圆形隧道展开正交设计的数值模拟试验，建立了开挖面位移释放系数拟合公式；周硕安通过数值模拟，分析了岩体的物理力学参数及隧道埋深比对围岩位移释放系数的影响；Zhao Dongping等基于广义开尔文本构模型，推导了考虑时间变量的软岩隧道衬砌位移释放表达式；Wang Jian基于Lee、Hoek及VD公式的典型LDP方程，对硬岩隧道实测位移数据进行拟合对比，认为Hoek公式适用于硬岩隧道的位移释放分析；张建智等基于位移系数法，利用弹性-黏弹性对应原理与非关联流动法则，建立了无支护隧道变形的解析解；张常光等对代表性深埋岩质圆形隧道位移释放系数公式进行总结和分类，认为以围岩塑性区最大半径为基础的位移释放系数对弹性围岩和各种弹塑性围岩均适用；左清军等基于变形监测资料，分析了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和掌子面距离的变化规律；吴顺川等基于广义Hoek-Brown准则，提出了能量化不同围岩应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式；张常光等比较了支护力系数法和位移释放系数法的适用范围、空间效应实现及收敛约束差异，认为位移释放系数法适用于各种弹塑性围岩。目前对隧道纵向变形曲线与位移释放公式拟合的研究较多，而对不同开挖工况下特大断面隧道位移释放演化规律的对比研究较少。该文以福建平潭综合实验区龙兴岭隧道为工程背景，在FLAC3D数值平台上采用全断面法、上下台阶法及单侧壁导坑法对特大断面隧道的开挖过程展开精细化数值模拟，研究隧道在不同开挖工法下的位移释放演变规律。

1 工程概况

龙兴岭隧道属福建省平潭综合实验区新建麒麟大道的一部分，为市政一级公路隧道。隧道总长约500 m，由2个机动车主洞、2个非机动车人行辅洞和1个电力隧道构成。主洞采用曲墙三心圆内轮廓，净空尺寸为14.2 m×9.46 m(宽×高)；辅洞采用曲墙单心圆内轮廓，净空尺寸为7.69 m×6.4 m(宽×高)。隧道主要穿越中～强风化凝灰熔岩地层，上覆砂土状全风化凝灰熔岩地层及坡积粉质黏土地层，厚度6～10 m。

主洞Ⅲ级围岩区段采用全断面法开挖，Ⅳ级围岩区段采用上下台阶法开挖，Ⅴ级围岩区段采用单侧壁导坑法开挖。计入支护厚度及预留变形量后，实际开挖尺寸分别为14.3 m×10.1 m(Ⅲ级)、14.6 m×10.5 m(Ⅳ级)、15.0 m×10.9 m(Ⅴ级)。

2 数值模型建立

以K0+925—975(Ⅲ级)、K0+865—915(Ⅳ级)、K0+730—780(Ⅴ级)段为例，采用FLAC3D对隧道开挖与支护全过程展开三维数值模拟。

2.1 单侧壁导坑开挖法

单侧壁导坑法开挖工序见图1，共分为4步开挖：在Ⅰ区域开挖完成后，施作初期支护1与临时支撑2、3；Ⅱ区域开挖完成后，施作临时支撑4与初期支护5；Ⅲ区域开挖完成后，施作初期支护6与临时支撑7；Ⅳ区域开挖完成后，施作初期支护8。初期支护采用I20a钢架@50 cm、28 cm厚C25喷砼，同时呈梅花形布置3.5 m长中空注浆锚杆加固拱顶120°范围内围岩。

图1 单侧壁导坑法开挖工序及监测点

各区域开挖进尺为3 m，各掌子面施作间隔假定为2个进尺。布设沉降监测点(见图1)，其中测点A位于隧道拱顶，测点B位于隧道拱肩(亦可理解为先导坑顶部)。

在FLAC3D数值平台上建立大断面隧道单侧壁导坑法开挖数值模型(见图2)，模型整体尺寸为120 m×83 m×50 m(宽度×高度×进深)。围岩采用六节点实体单元模拟，共计295 650个实体单元。模型顶面为地表面，取自由边界；侧面为法向位移约束边界；底面为全约束边界。

图2 隧道单侧壁导坑法开挖数值模型

Ⅴ级围岩采用摩尔-库伦本构模型，本构参数的取值见表1。另外，提高20%锚杆加固区黏聚力、内摩擦角，以模拟锚杆加固作用，锚杆加固区厚度t同锚杆长度。隧道初期支护中的钢拱架与喷射砼采用三节点Liner单元模拟，Liner单元厚度t同钢撑高度，并通过抗弯刚度等效原则计算其弹性模量。

表1 Ⅴ级围岩与初期支护的物性参数

2.2 上下台阶开挖法

Ⅳ级围岩区域隧道的上下台阶法开挖工序(见图3)如下：上台阶Ⅰ区域开挖完成后，施作初期支护1；下台阶Ⅱ区域开挖完成后，施作初期支护2。初期支护为I18钢架@100 cm、26 cm厚C25喷砼，同时呈梅花形布置3.0 m长中空注浆锚杆以加固拱顶120°范围内围岩。各区域开挖进尺、施作间隔、监测点布置与前述相同。

图3 上下台阶法开挖工序及监测点

在FLAC3D数值平台上建立大断面隧道上下台阶法开挖数值模型，模型整体尺寸、围岩本构均与前述相同，参数取值见表2。

表2 Ⅳ级围岩与初期支护的物性参数

2.3 全断面开挖法

Ⅲ级围岩区域隧道采用全断面开挖，其循环进尺与监测点布置与上下台阶法相同。初期支护为I14钢架@120 cm、20 cm厚C25喷砼，同时呈梅花形布置3.0 m长中空注浆锚杆以加固拱顶120°范围内围岩。在FLAC3D数值平台上建立大断面隧道全断面开挖数值模型，模型整体尺寸、围岩本构与上下台阶法相同，参数取值见表3。

表3 Ⅲ级围岩与初期支护的物性参数

3 不同开挖方法下位移释放率对比

以各数值模型的纵向中心里程(即K0+950、K0+890、K0+755)为目标断面，研究全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法开挖方式对特大断面隧道位移释放演化规律的影响。

3.1 隧道拱顶位移释放率

根据数值模拟结构，全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法开挖与支护全部完成后，隧道拱顶(A点)最终沉降位移分别为17.6、21.8、18.6 mm。以上述最终沉降位移为基准，绘制目标断面上拱顶测点的位移释放率，其随与开挖面间距的变化见图4。

图4 不同开挖方法下隧道拱顶位移释放率

由图4可知：1) 对于全断面开挖法(Ⅲ级围岩)，开挖面距目标断面-6～6 m(约0.5倍洞径)时，隧道拱顶处位移释放较显著。开挖至距目标断面-6、0、6 m时，其位移释放率分别为0.18、0.52、0.80。2) 对于上下台阶开挖法(Ⅳ级围岩)，拱顶处位移释放规律与全断面开挖法相近。需注意的是，由于下台阶滞后上台阶2个进尺，隧道拱顶位移受下台阶开挖区域约束，目标断面上拱顶位移释放均小于全断面开挖法。上台阶开挖至距目标断面-6、0、6 m时，其位移释放率分别为0.12、0.40、0.65。3) 对于单侧壁导坑开挖法(Ⅴ级围岩)，拱顶测点位于第Ⅲ开挖区域，左侧第Ⅰ、Ⅱ区域分别超前4、2个进尺，目标断面上拱顶位移释放均大于全断面开挖法。整体上看，开挖面距目标断面-15～10 m(-1.5～1.0倍洞径)时，拱顶处位移释放率大致呈线性增长；开挖至距目标断面-15、0、10 m时，位移释放率分别为0.15、0.65、0.90。

3.2 隧道拱肩位移释放率

根据数值模拟结构，全断面法、上下台阶法、单侧壁导坑法开挖与支护全部完成后，隧道拱肩(B点)最终沉降位移分别为16.5、21.0、15.8 mm。以上述最终沉降位移为基准，绘制目标断面上拱肩测点的位移释放率，其随与开挖面间距的变化见图5。

由图5可知：1) 对于全断面和上下台阶开挖法，拱肩测点与拱顶测点位于相同开挖区域，故其位移释放规律与拱顶位移释放规律相同。2) 对于单侧壁导坑开挖法，拱肩测点位于第Ⅰ开挖区域，下侧/右侧的第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域分别滞后2、4、6个进尺，目标断面上拱肩位移释放均小于另外2种开挖方法。整体上看，开挖面距目标断面-5～20 m(-0.5～2.0倍洞径)时，拱肩处位移释放率大致呈线性增长；开挖至距目标断面-5、0、20 m时，位移释放率分别为0.07、0.30、0.89。

图5 不同开挖方法下隧道拱肩位移释放率

4 位移欠释放与过释放

对于全断面开挖法，各测点位移释放率都相同；对于多分部开挖法，测点所属开挖分部不同，其位移释放规律的差异十分显著。单侧壁导坑法与全断面开挖法下拱顶、拱肩处位移释放率随开挖面间距的变化见图6。

图6 单侧壁导坑法和全断面开挖法下位移释放率对比

由图6可知：对于单侧壁导坑开挖法，隧道拱肩测点位于第Ⅰ开挖区域，相较于位于第Ⅲ开挖区域的拱顶测点超前开挖4个进尺，其位移受未开挖区域约束而滞后释放，开挖至目标断面时，其位移释放率相较于全断面法减小31%，定义该现象为位移“欠释放”；而拱顶测点的位移超前4个进尺释放，开挖至目标断面时，其位移释放率相较于全断面法提高27%，定义该现象为位移“过释放”。

对比不同测点的位移释放规律，在分部开挖过程中，监测点的位移释放规律与其所在位置及开挖顺序密切相关。通过模拟得到各测点位移释放率随开挖步的变化规律，可为龙兴岭隧道监测数据的反演分析提供基础依据，并用于辅助判定合理开挖进尺与支护时机，进一步结合现场监测数据动态评估围岩与支护结构的稳定性。

5 结论

以平潭综合实验区龙兴岭隧道为工程背景，在FLAC3D数值平台上采用全断面法、上下台阶法及单侧壁导坑法对大断面隧道开挖全过程展开精细化数值模拟，重点关注隧道拱顶与拱肩的位移释放规律。结论如下：同一测点位移释放率在不同工况下的演化规律特异性显著，分部开挖工况下开挖区域的位移释放受未开挖区域约束；针对多分部开挖工况下不同分部位移释放相互受限的现象，以全断面开挖法的位移释放率为基准，定义位移滞后释放为“欠释放”、超前释放为“过释放”；位移释放演化规律与监测点所在位置及开挖顺序密切相关。