超大断面隧道开挖方案数值模拟研究分析

摘要 文章通过对某通道工程地下隧道两种不同开挖方案进行模拟，对比分析其优缺点，并对结果进行研究分析从而指导实际施工。研究结果表明：在满足规范要求情况下，采用方案较优的双侧壁导坑十步法只需增加一次开挖步骤，减少临时支护的施作位置，能使隧道拱顶沉降降低12%，地表沉降降低19%。采用双侧壁导坑十步法使隧道的工作区间增大，更方便现场机械化施工。综合比较，选取双侧壁导坑十步法作为该段的施工方案。

关键词 数值模拟;隧道开挖;超大断面隧道;FLAC3D

中图分类号 U452.11 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0172-03

引言

计算机技术的发展也在推动着岩土工程数值计算的发展，实践证明，数值模拟方法在隧道开挖方案评估方面有着重要作用。陈帅宇[1]运用FLAC3D对水利枢纽工程地下厂房区进行了模拟施工开挖过程，讨论了洞室围岩因开挖而导致的变形，分析了围岩的塑性区分布及地下厂房洞室群围岩的稳定性，并针对局部进行加固处理。朱念焜[2]以某大断面山岭铁路隧道建设为实例，运用FLAC3D软件进行数值模拟计算，探讨了三种不同施工方案对隧道围岩位移、应力及塑性区稳定性的影响，综合比较，采用对围岩位移变形有更好控制效果的CD法，为实际提供理论支撑。高军[3]采用FLAC3D数值分析软件对粉土和砂土层盾构隧道开挖的过程进行了模拟，讨论了开挖过程中周围土层的应力和变形规律，为实际生产提供了参考。

该文结合某通道工程为工程背景，结合FLAC3D软件对深埋超大断面隧道开挖过程进行模拟分析，通过对比不同施工方案所引起围岩的位移、应力、地表沉降等，进而为工程实际方案的选择提供指导性依据。

1 工程简介

某工程隧道长55.2 m，最大净跨度宽度为30.51 m，最大净高为17 m，最大断面开挖面积为421.73 m2，为超大深埋断面隧道。根据勘察报告显示，隧道距地面顶最高处为200 m。

该隧道通过燕山晚期第二次侵入花岗岩地层，中粗粒结构，块状构造，节理、裂隙稍发育，主要节理为N10～39°，以中风化花岗岩、微风化花岗岩为主，岩体较为完整，综合评定围岩等级为三级。

隧道厂区内地貌属于沿海低山丘陵地貌，地下水主要赋存于坡积、冲积层中，丘陵区断裂带为潜在的赋水区。地下水埋藏较浅，一般为1.0～1.5 m。施工导洞内地表水比较丰富，地下水在断裂构造带较发育。

2 数值模拟

2.1 模型建立

FLAC3D采用的是显式拉格朗日算法[4]和混合-离散分区技术，在处理大变形破坏问题时能更好的求解。为建模时模型与实际工程尽可能保持一致，有关研究表明，隧道开挖施工在隧道直径3～5倍的范围内对周围围岩有影响[5]，该文模型隧道x方向上为350 m，隧道长度y方向上为90 m，z方向為200 m。其开挖模型如图1所示：

模型上部为自由边界，其余均为法向约束，计算时在其z方向上添加等效重力，模型计算网格为八面体为主，共计27 880个单元，286 552个节点。根据地质勘察报告文件显示，该隧道所处土体分为3个土层，分别为砂砾状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩。在数值分析计算时选择库伦摩尔本构模型，实体单元，根据勘察文件，选取力学参数如表1所示。

2.2 开挖方案设定

隧道开挖模拟方案为双侧壁导坑九步法（九步法）和双侧壁导坑十步法（十步法）。两种模拟方案示意图如图2所示：

两种开挖方案均按照图示中序号由小到大进行，每次开挖的深度为5 m，开挖后及时施作初期支护和临时支护，待支护完成后打入锚杆，完成支护。初期支护采用理想弹塑性模型来进行模拟，根据现有设计要求，将锚杆的弹性模量设定为28 GPa，泊松比0.2。等开挖到合适的距离后（即同一断面的围岩全部开挖完成后），进行临时支护拆除，直至完成隧道开挖，另外在模拟中，未涉及二次衬砌有关问题。

3 结果分析

3.1 围岩位移分析

超大断面隧道开挖施工时，常用围岩位移的变化来反映隧道围岩的稳定性，因此隧道拱顶围岩的位移分析是关注的重点。先计算初始地应力，把位移状态清零，提取出数值模拟计算结果，绘制隧道拱顶沉降变化曲线如图3所示。

在分析步达到9 000时，十步法明显优于九步法，采用九步法所引起的隧道拱顶沉降量达到了17.23 mm，对比十步法其沉降量为15.16 mm，分析其原因，相比较于九步法，十步法将隧道掌子面分为面积大小相似的几个区域，且每次开挖面积较少，因此施工对隧道周围岩石的扰动较小。两种方法都满足隧道安全标准[6]，但十步法比九步法降低了12%的拱顶沉降。

3.2 地表沉降分析

十步法改变了开挖顺序，且更改了临时支护的位置，并减少了大量的临时支护，对比两种方案导致地表的沉降，如图4所示。在模拟计算时，在同一位置处设立监测点，随着开挖分析步的进行，分别记录两种工序开挖对上部地面的影响。结果显示当顶部掌子面开挖后地表沉降急速达到最大，随着分析步的进行地面沉降缓慢增加。二者地表沉降变化曲线保持一致，待隧道最终开挖完成后，二者分别达到了9.7 mm和7.85 mm，对比分析十步法比九步法减少了19%的地面位移。

3.3 围岩应力分析

十步法减少了大量的临时支护，需要验证围岩是否处于一个安全的状态，为此提取出数值计算的结果进行分析。图5为两种不同开挖方式完成后，隧道围岩最大主应力分布图。结果显示，围岩应力分布规律相同，均出现在了隧道两侧，九步法产生的最大主应力为4.19 MPa，十步法产生的最大主应力为3.89 MPa，比九步法降低了5%，分析其原因是因为开挖方案不同，十步法将外侧围岩分为8块，相对避免了围岩应力集中的现象。

另外，对比二者在同一监测点上x方向上围岩应力如图6所示。由于二者的开挖步骤不同，且一次开挖掌子面的面积不同，导致其围岩应力有所不同，对比分析九步法引起围岩应力约为5.71 MPa，十步法所引起的围岩应力约为5.86 MPa，比九步法增加了2%。

4 结论

通过运用FLAC3D软件，對两种不同的施工工序进行模拟分析，得出以下结论：

（1）在相同的参数条件下，开挖方案选取的不同，导致围岩的状态也不一样。但两种方案均满足隧道设计标准，具体表现在：十步法降低了12%的拱顶沉降、19%的地面沉降，其最终引起了15.16 mm的拱顶沉降和7.85 mm的地表沉降。但随着临时支护的减少，十步法也仅仅增加了2%的围岩应力，满足要求。

（2）由模拟数据与现场数据对比分析，十步法在减少大量临时支护后，仍能满足现场施工要求。且根据工程现场实践经验可得知，在面对大断面隧道开挖时，十步法所产生的导坑较为规则，在实际作业时，整体按照先上后下的顺序开挖，作业空间大，方面大型机械进入施工，促进现场机械化施工进程。

该文所述双侧壁导坑十步法是在三级围岩状态下的模拟施工，在实际施工过程中，每一导坑开挖时，每次循环进深为2榀拱架距离（即开挖深度5 m），每一导坑开挖至安全距离后进入可进行下一导坑施工，该文也可为其他围岩状态不同的隧道开挖提供参考。

参考文献

[1]陈帅宇， 周维垣， 杨强， 等. 三维快速拉格朗日法进行水布垭地下厂房的稳定分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2003（7）： 1047-1053.

[2]朱念焜， 陈月顺， 贾晶磊. 大断面隧道开挖稳定性数值模拟分析[J]. 太原学院学报（自然科学版）， 2021（1）： 1-6.

[3]高军， 刘亚克. 盾构隧道在施工中的沉降分析[J]. 建筑设计管理， 2016（5）： 91-93.

[4]邓红卫， 朱和玲， 周科平， 等. 基于FLAC～（3D）数值模拟的前后处理优化研究[J]. 矿业研究与开发， 2008（2）： 60-62.

[5]苏晓堃. 隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究[J]. 铁道工程学报， 2012（3）： 64-68.

[6]张世飙， 夏述光， 左昌群， 等. 软岩隧道围岩变形量与变形速率临界值及警戒值探讨[C]//中国公路学会第三届全国公路科技创新高层论坛——湖北优秀论文集. 2006： 43-46.

收稿日期：2022-03-05

作者简介：张昂然（1989—），男，本科，工程师，从事道路与隧道工程施工管理工作。