软弱围岩隧道开挖方法比选及数值模拟研究

秦煜杰，黎应书，李 微

(昆明理工大学，云南 昆明 650031)

0 引 言

我国经济持续增长，基础施设建设日益完善，人们越来越追求交通的便利与快捷，高速公路和高铁飞速发展。相对于平原地区，在山区公路建设中，隧道建设的重要性更加不言而喻，能有效克服地形障碍，使公路路程缩短且路况平直舒缓。我国西部山区隧道修建因其地质条件复杂而困难重重，在建设过程中地质灾害频繁，很容易发生围岩变形破坏等地质灾害[1-2]，保证隧道施工安全是工程面临的一大难题。

隧道开挖方法直接决定了隧道施工的难易程度和施工过程中的安全性[3- 4]，开挖方法又受地质条件及环境因素制约[5- 6]。本文以云县至临沧高速公路某一隧道为例[7]，探究在软弱围岩的地质背景下，通过分析围岩的受力形态、位移等，得到最适宜此类软弱围岩的开挖方法。

1 工程背景

该工程位于云县至临沧高速公路，隧道区海拔高度介于1 197.6～2 525.3 m 之间，相对高差1 321.7 m，属高中山构造剥蚀地貌区。研究区处于亚热带季风性气候，年内雨季持续时间长，降雨量巨大。研究区内水系发育，出露地表水，地下水分为第四系孔隙水和基岩裂隙水2种类型，补给主要靠大气降水及地表水入渗。地层岩性为粉质黏土、泥质砂岩及花岗质片岩。研究区地质构造发育，隧道进口有南汀河断裂，出口有勐撒—曼岗山断裂。受2条断层的影响，研究区范围内岩体软弱破碎，围岩稳定性差。

本次工程项目拟建路段地形起伏大，将隧道设计为分离式隧道。隧道左幅起点里程ZK12+600、止点里程ZK22+835，全长10 235 m，右幅起点里程K12+620、止点里程K22+830，全长10 210 m。隧道左幅最大埋深1 210.85 m，右幅最大埋深1 199.53 m，左右幅隧道累计总长20 445 m，左右幅线间距约为28～40 m。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。

2 研究方法

2.1 隧道开挖方法

隧道开挖过程中将对围岩造成扰动，使得隧道围岩应力重分布，导致隧道出现塌落、掉块、冒顶等地质问题。为防治此类问题的出现，现场施工应选择最适宜的开挖方法及支护措施。隧道开挖常见的方法有全断面法、台阶法、侧壁导坑法、环形法、CD法(中隔壁法)、CRD法(交叉中隔壁法)[8]。本工程从施工条件出发，结合成本、工期、施工工序，最终选定CD开挖法、环形开挖法、两台阶开挖法对隧道进行开挖模拟及稳定性分析。3种开挖方法见图1。图1中，①～⑤为施工步骤。

图1 3种开挖方法步骤示意

2.2 数值模拟

数值模拟以有限元软件MIDAS GTS NX作为隧道工程建模分析工具，建立3种不同开挖方式对应的模型进行模拟分析。根据收集到的工程地质勘查资料，隧道模型地质参数以隧道K13+600～K13+900段的实际地质条件为准，该段围岩分级为Ⅳ～Ⅴ级，主要由中风化花岗质片岩构成，节理裂隙较为发育，整体上呈碎石、碎块状碎裂结构。岩体富水性较强，经物探探测后可知属于低电阻区，故在隧道开挖时可能会出现滴水、渗水等现象，且围岩岩体本身自稳能力较差，在开挖过程中若支护不及时或者支护不当，则可能引起大规模的坍塌[9]。围岩上覆地层为花岗质片岩，地表出露地层为粉质黏土。材料参数见表1。

表1 材料参数选取

隧道拱顶埋深D=55 m、高H=8.8 m、跨度B=11.7 m。整体模型尺寸为136 m×150 m×100 m，一次掘进尺寸为5 m，分30段开挖。环形法模型共13 680个单元，14 694个节点。CD法模型共13 200个单元，14 446个节点。台阶法模型共14 580 个单元，16 244个节点。选用M-C准则为数值模拟屈服准则，M-C准则作为一种经典的本构模型被广泛应用于研究岩土体的力学性能和变形性质中。实践证明，数值模拟时，采用M-C准则进行岩土体的受力与变形分析，得到的结果与实际情况基本一致[10]。为保证模拟计算的准确性，应尽量减少边界约束条件对有限元计算精度的影响[11]，故对模型边界进行定义：将位于模型顶部的大地表面设置为自由边界，在模型前后两侧施加Y方向位移约束，左右两侧施加X方向位移约束，模型底部施加Z方向位移约束。隧道围岩初始应力主要考虑岩层自重应力[12]。锚杆用植入式桁架、喷混用板单元进行模拟。3种开挖方法的有限元模型见图2。

图2 有限元模型

3 研究结果分析

3.1 位移场

位移场分析主要是分析隧道开挖后竖向位移及水平位移的变化。将隧道围岩的拱顶、拱底、左隧道左侧拱腰、右隧道右侧拱腰同一位置，通过3种不同开挖方式开挖后产生的位移进行比较，结果见表2。通过对比3种开挖方式产生的位移量可知：

(1)CD法开挖后隧道的横向变形最大，其次是台阶法，环形法开挖后的拱腰收敛最小，左隧道左侧拱腰横向位移仅为0.086 cm，右隧道右侧拱腰横向位移仅为0.069 cm，而CD法和两台阶法开挖后左隧道左拱腰处横向位移均为0.23 cm左右，右隧道右拱腰处达到0.15 cm左右。

图3 环形法位移云图

图4 CD法位移云图

(2)3种开挖方法竖向拱底位移相差不大。环形法竖向拱顶位移仅为3.234 cm；CD法开挖后的竖向拱顶位移最大，达到3.629 cm。通过比对3种方法开挖施工后得到的竖向位移量可知，开挖时断面产生的岩土分块较多的开挖方法相对比较稳定，其所产生的拱顶沉降比较小。3种开挖方式拱底都出现隆起现象，这是由于开挖过程使得围岩应力重分布以及地下水渗流引起周围岩土体扰动。

表2 3种不同开挖方式开挖后产生的位移 cm

不同开挖方法形成的位移变化云图见图3、4、5(均选取开挖结束后的正面位移云图)。从图3、4、5可知：

(1)3种开挖方法产生的位移云图相差不大，变形趋势具有一致性，横向位移在左隧洞的拱腰左侧、拱顶右侧和拱底右侧达到最大；在右隧洞的拱腰右侧、拱顶左侧和拱底左侧达到最大。

(2)隧道围岩内侧面产生横向位移，向洞内收敛，双隧道中间部分由于双向水平应力抵消，基本没有产生位移。在双隧道外侧，由于水平地应力与围岩拱腰之间的夹角垂直，受应力作用相比于拱顶与拱底更明显，隧道外侧拱腰在横向上变形量较大。

(3)竖向位移在左右隧洞的拱顶和拱底处达到最大，产生这种现象的原因是隧道拱顶和拱底的临空面垂直于竖向应力，使拱顶和拱底的水平面与竖向应力之间的夹角为90°应力作用效果明显，位移量大。

在进行隧道开挖时，相比于环形法和台阶法，CD法对围岩的扰动次数较多，因此在横向位移上CD法位移值最大。

图5 台阶法位移云图

图6 环形法应力云图

3.2 应力场

选取3种开挖方式的同一位置点进行比较，提取该点水平应力、竖向应力和最大主应力数值，结果见表3。从表3可知，采用CD法开挖引起的围岩的水平应力比采用台阶法和环形法开挖要大，而环形法开挖后周围围岩产生的水平应力是最小的；CD法开挖时产生的竖向应力最小，台阶法的竖向应力最大。因此，CD法开挖所产生的最大主应力远远大于其他2种方法，环形法开挖产生的最大主应力最小。这是因为利用3种开挖方法开挖时，隧道涌水量各不相同，环形法自身的防水性能是3种开挖方法中最差的，而CD法最好，环形法开挖后涌水量过多，导致围岩内部孔隙水压力减少，从而导致了隧洞洞口周围围岩应力的减少。

表3 不同开挖方法产生的应力 kPa

3种不同开挖方法形成的应力云图见图6、7、8，从图6、7、8可知：

(1)3种不同开挖方法形成的应力云图形状相差不大，只是应力大小不同，而且3种开挖方法产生的应力都集中于隧道开挖面附近，说明隧道开挖后，在隧道洞口出现了应力集中现象。

(2)通过水平应力云图可知，3种方法开挖后都在拱底处出现应力集中现象，其他地方在水平方向上应力释放比较充分。在双隧道中间部分，隧道开挖后分布在围岩中的应力出现变化，在应力重分布的作用下产生应力集中，应力增加较为显著，所以此处在水平方向上基本没有产生位移。

(3)通过竖直应力云图可知，3种方法产生竖向应力的位置都是一致的，但环形法相比于其他2种方法应力值范围更小，应力释放更为充分，特别是在拱顶和拱底处，与其他2种方法开挖后产生的应力值相比，差距十分明显。

图7 CD法应力云图

图8 台阶法应力云图

图9 塑性区云图

通过对比水平方向和竖直方向上的应力变化发现，采用台阶法进行施工时，应力值变化范围大，采用环形法和CD法进行施工时，应力值变化范围较小。从应力角度考虑，采用环形法或CD法开挖比采用台阶法更有利于隧道的稳定。

3.3 塑性区

隧道开挖后，3种不同开挖方法形成的塑性应变云图见图9。从图9可知，大应变区集中在拱底及隧道侧壁底部。3种开挖方法产生的塑性应变云图图形有所区别，CD法与台阶法产生的塑性应变区域在隧洞的左右两侧及拱脚处，而环形法产生的塑性应变不仅位于隧洞两侧及拱脚处，同时还位于拱顶上方。但CD法和台阶法在拱腰和拱底产生的塑性应变值比环形法大，且台阶法最大。从塑性应变区来看，环形法要比CD法和台阶法更加稳定。

4 稳定性分析

将MIDAS GTS NX中建好的模型运用FPNtoFLAC3D.exe格式转换应用程序，使从MIDAS GTS NX中输出的FPN格式的文件转换为flac3d格式的文件，再将其导入到FLAC 3D 5.0中，计算3种不同开挖方法开挖后隧道的安全系数。

由强度折减法计算出来的CD法、环形法、台阶法的安全系数分别是1.80、1.81、1.78，说明CD法和环形法相对于台阶法围岩的稳定性更加好，而CD法比环形法略差一点。因此，环形法相比于CD法和台阶法，更适合此类软弱围岩隧道的开挖。

5 结 语

本文基于云南云县至临沧高速公路中某隧道，选取了CD法、环形法和台阶法3种开挖方法，建立有限元模型，进行软弱围岩的位移、应力、塑性应变分析，得出以下结论：

(1)从位移变化来看，环形法的拱顶沉降和横向拱腰位移是最小的，CD法的拱顶沉降是最大的。从应力角度看，CD法的应力比其他2种方法都要大，环形法开挖后周围围岩应力是最小的。从塑性应变角度看，环形法产生塑性应变的位置与CD法和台阶法不同，不仅位于隧洞两侧及拱脚处，同时还位于拱顶上方，但CD法和台阶法产生的应变值大于环形法。

(2)采用强度折减法对3种开挖方式进行计算，结果显示，环形法安全系数是最大的，其次是CD法，最后是台阶法。

(3)综合考虑地质条件、施工条件和施工安全等情况，并结合3种开挖方法对比结果得出，在软弱围岩隧道开挖中，环形法相比于其他2种方法更合适。