深埋高地应力下隧道开挖方式对比研究

廖保林

(西南交通大学，四川 成都 610031)

随着我国交通建设的迅速发展，线路网愈发密集，中西部地区的铁路不可避免需要穿越高山，隧道需要克服高地应力的问题[1]。在隧道建设过程中，需考虑经济性和支护结构稳定性，比选不同的开挖方式[2～3]。故需研究采用不同施工方式下隧道的变形和塑性区情况，以此评估深埋高地应力下隧道施工更优的开挖方式。

1 工程概况

西南地区某拟建的高速铁路工程，前期地勘报告揭示隧址区围岩岩性主要为泥岩，属软质岩类，最大埋深为150 m，属于深埋隧道。据前期勘察隧道深孔地应力测试结果，水平最大主应力SH为4.4 MPa，水平最小主应力Sh为3.3 MPa，垂直应力Sv为5.5 MPa。试验表明，泥岩单轴饱和抗压强度为4～5 MPa。最大主应力方向与线路走向小角度相交。本工程将比选全断面开挖、台阶法开挖、CRD法开挖3种方式，以此选择隧道合适的施工方式。

2 建立模型

本文采用有限差分软件Flac3d进行数值模拟，由于本工程埋深大，不便将模型从地面处建立，此处取模型高100 m，将地应力通过面力的方式施加在模型边界上，确定模型尺寸为100 m×100 m×50 m。其中初期支护采用shell单元，围岩、二衬采用实体单元。CD法、CRD法开挖顺序如图1所示。

图1 数值模型开挖顺序

3 围岩及支护参数

初期支护为C30混凝土，二次衬砌为C40混凝土，隧址区所在的泥岩物理参数使用地勘报告给出的参数，具体物理参数见表1。

表 1 围岩和支护物理力学参数

4 数值计算结果分析

不同的开挖方式对围岩产生的影响程度不同，结构的内力也会有所差别，后续通过分析围岩变形以及初期支护结构内力情况来评价开挖顺序的合理性，位移分析基于对模型Y=30 m断面处监测。

4.1 竖向位移分析

对开挖后的隧道拱顶、仰拱处变形进行分析，可以体现隧道开挖对围岩的影响。不同开挖方式下开挖过程中竖向位移变形曲线见图 2。

图2 不同开挖方式竖向位移对比

图 2中纵坐标为竖向位移，横坐标为开挖掌子面离监测断面距离，其中0 m处即为监测断面。由图2可知，3种施工方法导致的围岩变形竖向位移均符合“S”型曲线。全断面法施工的变形量明显大于另外2种开挖方式；采用CRD法施工，拱顶和仰拱的变形量均最小，且在施工过程中能更好的控制围岩的变形情况，在临时支撑拆除后，围岩会有个较小的突变，因此拆除临时支撑时因规范操作，尽量减小变形，CRD方法施工下拱顶最终沉降为29.60 mm；仰拱最终隆起为27.92 mm。

4.2 水平位移分析

图 3给出了施工过程中围岩水平收敛的变化情况，由图可知，变化过程可分为3个阶段，阶段一缓慢增加；阶段二迅速增加，当掌子面到达监测断面时，水平收敛有一个突变的过程；阶段三趋于稳定阶段。对比不同施工方式可知，CRD法能有效解决收敛突变的情况，整体变化过程趋于平缓，且水平收敛值最小，施工完成时，水平收敛值为3.71 mm。

图3 不同开挖方式水平位移对比

4.3 塑性区分析

随着隧道的施工，围岩可能发生剪切、拉伸破坏，产生塑性区，塑性区大小也是衡量隧道施工稳定性的关键指标之一，不同开挖方式下，施工完成时，塑性区情况见表2。

图4～图6给出了3种施工方式下的塑性区，由图可知：塑性区主要出现在仰拱和左右边墙处，CRD法施工一定程度上可以减小仰拱底部和边墙处的塑性区。

图4 CD法塑性区

由表2可知，隧道围岩破坏的方式主要为剪切破坏，局部部位发生拉伸破坏，在高应力作用下，岩体发生了剪切破坏。对比不同施工，CRD法施工产生的塑性区面积最小，可以更有效控制塑性区发展，减少围岩扰动，有利于隧道稳定。

图5 CRD法塑性区

图6 全断面法塑性区

表2 塑性区比较

4 结论

本文通过数值模拟分析不同开挖方式对深埋高地应力隧道的影响成都，可以得出结论：

(1)深埋高地应力下隧道开挖，围岩产生的变形量相对更大，破坏形式以剪切破坏为主，应对支护结构适当加强。

(2)不同开挖方式下，对围岩的扰动程度为全断面法>CD法>CRD法，CRD法施工下围岩变形更平缓。

(3)通过比较围岩变形和塑性区大小，本工程推荐采用CRD法施工。