浅埋隧道全断面开挖适应性研究

吴 震，王国举，朱习全

（四川省铁路建设有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着我国公路网不断向高山地区延伸，公路隧道总数和建设规模不断增加。目前，公路隧道开挖方法主要有全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、中洞法、环形开挖预留核心土法、CD法、CRD法等。但是，受隧道的围岩类别、开挖面积、埋深、工程地质条件、施工技术装备等因素的影响，需要针对不同隧道进行开挖工法适应性研究[1-3]。

严涛等[4]利用数值模拟，进行老鸭岭隧道Ⅳ级围岩全断面开挖与上下台阶开挖的对比分析，结果表明全断面开挖会引起较小的地表和拱顶沉降，上下台阶开挖承受的拉应力最大，是全断面开挖能承受围岩最大拉应力的两倍，综合考虑应优先采用全断面开挖方法。高红红[5]建立隧道三维数值分析模型，对Ⅴ级围岩隧道采用的全断面法、台阶法和预留核心土法3种开挖方式进行了数值模拟，模拟结果表明，Ⅴ级围岩段隧道采用全断面法施工的内力和变形最大，但也在可控范围内。颜杜民[6]等采用数值模拟与现场监测相结合的方法，探讨了水南隧道全断面大进尺开挖Ⅳ级围岩的可行性。研究结果表明，两种开挖方法引起的拱顶沉降差异不大，全断面法引起的隧道水平收敛较两台阶法小。

本文以会东县胜利隧道为研究背景，采用数值计算的研究方法，对比了台阶法和全断面法开挖在围岩级别为Ⅴ级、Ⅳ级下的变形控制效果，并通过对围岩全断面监测数据的分析，探讨其适应性，为同类工程提供参考。

1 工程概况

拟建胜利隧道位于会东县鲹鱼河镇，拟设计为双洞双向隧道，洞轴线多为直线型，起点、终点附近为曲线形。隧道左线进出口里程桩号：ZK332+726～ZK334+418，轴向走向 169°～202°，设计路面标高1 773.84～1 814.13 m，隧道顶板最大埋深约178.0 m，全长1 692 m，属长隧道；右线进出口里程桩号：K332+731～K334+403，轴向走向170°～202°，设计路面标高 1 774.24～1 814.12 m，隧道顶板最大埋深约181.0 m，全长1 672 m，属长隧道；荷载等级为公路-Ⅰ级。根据拟建隧道围岩详细分级，隧道围岩级别主要为IV、V级，其中左线隧道V级围岩21.63%、IV级围岩78.37%，右线隧道V级围岩23.92%、IV级围岩76.08%。IV级围岩开挖易发生松散变形，V级围岩自稳定性差。因此，选择正确的围岩开挖方法是影响隧道施工安全、工程造价和工程进度的关键。本文通过FLAC3D有限元软件对隧道全断面开挖和上下台阶开挖进行了详细的比较。

2 开挖适应性研究

2.1 开挖条件

如图1～3所示，目前洞身段主要采用台阶法开挖，现场揭露围岩以砂岩和泥质砂岩为主，岩质较硬，开挖后掌子面比较稳定，初支受力良好，并未发生较大变形与位移。通过现场围岩位移监测，拱顶位移量普遍大于周边位移收敛量，其中拱顶最大位移量约22 mm，拱腰最大位移量20 mm，如图3所示。设计时预留变形量为10 cm，现场围岩状况良好，基本不发生位移，远小于预留变形量，具备全断面开挖的条件。

图1 开挖揭露泥质砂岩Fig.1 Excavation to expose argillaceous sandstone

图2 初期支护Fig.2 Initial support

图3 K343+620断面处围岩变形量Fig.3 Deformation of surrounding rock at section K343+620

2.2 数值模型

根据胜利隧道的实际工程条件，为了保证计算精度并降低计算量，本次计算中隧道开挖宽度12.22 m，开挖高度9.64 m，建模时考虑隧道开挖半径的影响范围，以约3倍洞径计。宽度方向取80 m，向下取40 m，向上取40 m，隧道长度方向取延伸长度为40m。除上边界施加应力约束外，其他边界均施加位移约束。选取Z4K333+572处进行计算，埋深达到180 m左右，建立的隧道三维数值模型图见图4。本次计算模型划分单元1 579 385个，节点283 477个。

图4 数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model

根据设计资料，建立了上下台阶法和全断面法两种计算工况，在上下台阶法的模拟过程中，上台阶超前下台阶6 m，下台阶开挖过程中先开挖左半部分，再开挖右半部分。全断面法模拟过程中，先开挖隧道结构中除仰拱外的其余部分，开挖后立即施加初支。计算采用摩尔库伦模型，因本次数值模型主要研究衬砌结构的安全性，故在计算中采用仰拱落后掌子面40 m，二衬落后掌子面40 m的步距，由于整个模型长度为40 m，在开挖模拟过程中，开挖后立即施加初支，模型全部开挖完后施加仰拱，仰拱施做完成后再施加二衬。

计算模型中各项设置如下：①围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，开挖采用Null模型。②锚杆通过cable单元进行模拟，按照设计资料上的位置进行施加，施加完成后如图5所示。③监测点布置，考虑到边界效应的影响，监测点设在隧道模型的中部，在y=20 m的掌子面正上方初支与围岩分界点及拱肩处设置监测点，从而分析拱顶沉降和水平收敛情况。

图5 锚杆示意图Fig.5 Schematic diagram of anchor rod

选取表1所示的围岩物理力学参数指标和围岩段衬砌参数进行数值模拟。

表1 数值模拟参数Tab.1 Numerical simulation parameters

2.3 上下台阶法开挖

2.3.1 开挖应力

从图6可以看出，拱顶和拱底的围岩应力开挖完成后应力积聚较小，由于隧道轮廓的缘故，围岩应力积聚在拱脚周边，围岩受力主要以最大主应力为主，采用上下台阶法开挖完成后拱脚周边最大主应力可以达到8.56 MPa，拱底最大主应力已不足1 MPa。

图6 上下台阶法围岩主应力Fig.6 Principal stress of surrounding rock by up-down bench method

2.3.2 开挖位移

在隧道开挖前，隧道已产生一定的预收敛，从图7可以看出，隧道内的沉降主要集中在开挖后施做仰拱前，施做仰拱后由于形成了闭合的结构，隧道内的沉降已基本停止，拱肩位置处围岩受力较小，故拱肩处水平收敛较小。

图7 上下台阶法围岩变形图Fig.7 Deformation map of surrounding rock by up-down step method

2.3.3 围岩初支和二衬应力

从图8和图9可以看出，初支的最大受力达到了8.55 MPa，受力最大的点位于初支拱腰外侧，二衬受力较小，受力最大的点位于拱腰外侧，从图9中衬砌受力可以看出，初支承受主要荷载，二衬作为安全储备。

图8 上下台阶法初支应力Fig.8 Initial supporting stress of up-down step method

图9 上下台阶法二衬应力Fig.9 Up-down step method secondary lining stress

2.4 全断面法开挖

2.4.1 开挖应力

从图10可以看出，采用全断面法开挖后，拱顶和拱底的围岩应力和台阶法变化一致，在开挖完成后应力集中程度较小，围岩受力主要以最大主应力为主，由于隧道轮廓的缘故，围岩应力积聚在拱脚周边，采用全断面法开挖完成后拱脚周边最大主应力达到10.79 MPa，拱底最大主应力已不足1 MPa。

图10 全断面法围岩主应力Fig.10 Principal stress of surrounding rock by full section method

2.4.2 开挖位移

与上下台阶法一致，在隧道开挖前，隧道已产生一定的预收敛，从图11可以看出，隧道内的沉降主要集中在开挖后施做仰拱前，施做仰拱后由于形成了闭合的结构，隧道内的沉降已基本停止，拱肩位置处围岩受力较小，故拱肩处水平收敛较小。

图11 全断面法围岩变形Fig.11 Deformation of surrounding rock by full section method

2.4.3 围岩初支和二衬应力

从图12和图13可以看出，初支的最大受力达到10.79 MPa，受力最大的点位于初支拱腰外侧，二衬受力较小，受力最大的点位于拱腰外侧，从图13中衬砌受力可以看出，初支承受主要荷载，二衬作为安全储备。相比上下台阶法，采用全断面法后初支受力最大的位置增大了26%，由于FLAC3D中规定负值代表受压，且模拟条件选择了最危险的情况，在计算过程中位移释放较小，故计算结果大于实际中的情况，采用全断面法后初支的受力有所增加，但仍处于安全范畴内。二衬受力最大的位置增长不到0.1 MPa，采用全断面法后对二衬受力影响较小。

图12 全断面法初支受力Fig.12 Full-section method for initial support stress

图13 全断面法二衬受力Fig.13 Stress of the second lining by full section method

3 结语

采用有限差分软件FLAC3D，建立了上下台阶法和全断面法两种工况，根据设计文件建立了完全符合隧道轮廓的模型，在模拟过程中，根据现场的实际情况，采用2 m作为一个开挖进尺，计算后得到的结果如下：

（1）台阶法和全断面法开挖围岩变形位移相差不大，其中围岩拱顶沉降普遍大于拱肩和拱底位移，但位移相对较小不大于6 mm，在允许变形范围内。开挖后施做二衬前围岩已基本变形完毕，故初支承受主要荷载，二衬作为安全储备。

（2）采用全断面法和台阶法开挖后，拱顶和拱底的围岩应力变化规律一致，在开挖完成后围岩应力积聚在拱脚周边，其中全断面法开挖完成后拱脚周边最大主应力达到10.79 MPa，相比台阶法开挖提升了26%。

（3）隧道初支受力最大处位于拱腰位置，采用全断面法开挖相比台阶法开挖从8.56 MPa增长到了10.79MPa，二衬增长了不到0.1 MPa，采用全断面法后衬砌受力有所增长，但未达到混凝土C25和钢拱架的极限强度，故采用全断面法是可行的。同时全断面法会减少开挖对围岩的扰动次数，这更符合相对完整IV级围岩的开挖方式，相对来说更有利于施工安全。