浅埋隧道施工围岩变形分析及开挖参数优化研究

万鹏

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 保定 072750)

进入21世纪后,我国公路隧道不断由东部向西部发展,从国内向国外逐步延伸,进入了一个全新的发展阶段[1-2]。我国山岭地区交通不便,国家对山区交通环境日益重视,山岭地区公路隧道的通车率逐年上升。随着基础设施建设和高科技技术逐渐向西部地区和海外发展,公路要道也逐渐开始跨越万水千山,深入到崇山峻岭地区[3]。

由于浅埋段隧道的围岩应力分布不均匀,地质条件复杂多样,所以在山岭公路大断面隧道的施工中,浅埋段的围岩开挖往往是整个施工过程中需要重视的地方,应该选取最适宜的开挖方式,并辅以合适的支护形式来维护围岩的稳定性[4-5]。本文以吉尔吉斯斯坦隧道近洞口浅埋段作为工程背景,根据该隧道工程的实际地形地貌、工程地质等条件,利用监控量测和数值模拟相结合的方法来研究用三台阶七步开挖法对隧道浅埋段进行施工的合理性,并对开挖法中相应的台阶参数进行模拟优化。优化分析三台阶七步开挖法中台阶长度、台阶高度和核心土留设高度等不同工况对隧道围岩变形的影响,得出较为合理的施工工况和台阶参数,为通过优化施工参数来控制隧道浅埋段的围岩变形提供研究依据。

1 工程概况

吉尔吉斯斯坦南北第二条公路隧道建设项目全长为3750 m,入口桩号为PK430+190,不含洞口复合建筑。本文主要研究3-A标段隧道近洞口处的浅埋段,该研究段的出口桩号为PK435+030。隧道进口端平面设计全部为直线,隧道PK430+190进口为实际设计修改后的位置,修改后的洞口地质条件良好,地势开阔,有利于施工机械的安置,并且避开了地表水汇集处,便于施工。出口桩号PK435+030处在砂岩和千枚岩区域进行开挖,该地区围岩较为稳定。隧洞建筑界限净宽为10 m,净高为5.0 m,采用半径为5.3 m单心圆直腿边墙断面复合式衬砌结构形式,断面面积为119.9 m2(带仰拱)。根据我国经典隧道工程的著作总结得出,当山岭隧道的埋深在50 m内时,可划分为浅埋隧道。通过对隧道围岩等级和特性的分析,设定本文研究的隧道进口段为大断面浅埋段。

隧道位于贾拉拉巴德州的两个区域之间,在托罗地区(路的北段)和苏扎克地区(路的南段),从传统边界的费尔干纳山脊穿过,交汇在桩号为PK453+020处。道路绝对标高为2511 m(北口)和2520.7 m(南口),隧道近洞口处的浅埋段部分埋入深度为30 m左右。隧址区位于古生代褶皱系的南天山内,亚斯辛斯卡娅褶皱带由中泥盆世-下二叠统沉积物组成。新构造变形导致费尔干纳西南翼上山脉的隆起,从西北到东南绵延550 m。费尔干纳隆起形成非对称结构,东北翼陡峭且短,西南翼平缓且长。该地区的岩石强度在强-中强度范围,含较多的断裂和破碎。经过地质勘察,发现隧道线路上有非常丰富的硅质岩(硅质粉砂岩、硅质页岩、石英夹层)有机硅组织,粗碎屑岩地面季节性冰冻穿透深度2.39 m。

隧道处于中高山区,气候条件较为复杂,该地区的气候受山体走向、光照强弱及山坡的影响。山区海拔2000～2200 m的地区主要为半干旱气候,高海拔会导致该地区昼夜温差大,进而带来大量的降水。在海拔2200～3300 m的地区以潮湿的气候为主,由于夏季的昼夜温差波动较大,降水较为频繁。在海拔3300～3800 m的地区终年积雪,所以降水在该地区主要表现为固态。夏季冷而短,冬季漫长,从10—11月开始降雪至第二年4—5月融化。融雪在山谷汇成小溪一直持续到7月,积雪覆盖厚度取决于山坡走向,可达1～3 m。

2 模拟工况的设定

在项目隧道施工的过程中，台阶长度是三台阶七步开挖法中最值得研究的一项参数，合适的台阶长度有利于提升施工效率和加快施工进度。本文采用FLAC 3D数值模拟软件，建模的左右边界(X方向)距隧道边缘的距离为隧道净宽的3倍，因此取模型长为80 m。对于模型的上下边界(Z方向)，为了节省计算量节约工作时间，上边界以地表为界限，距隧道边缘距离以埋深30 m为准。为了便于施工模拟推进，模型Y方向取值为24 m，能进行4～5个开挖循环。在网格划分中使用德劳内网格法，单元类型均由三角形和四边形组成。共划分单元109 767个，节点59 620个。

如表1所示，由于不同地质条件下开挖法中台阶长度取值不同，根据已有的隧道研究和实际模拟，台阶长度在2.0～8.0 m内取值更为合理。此处主要研究项目隧道近洞口浅埋段的围岩变形在不同台阶长度下的变化规律，现针对前上文隧道实际施工模拟来进行参数优化分析。隧道一次性开挖进尺为2.0 m，固定台阶高度、核心土的留设高度及长度、左右台阶错距、仰拱高度及长度均不变，仰拱距掌子面的间距保持在15～20 m。现采用上、中台阶长度分别为2.0 m、4.0 m和6.0 m这三种工况进行模拟计算，其中4.0 m为隧道实际施工的开挖长度取值。

表1 不同台阶长度变化的模拟工况

3 变形分析与参数优化结果

3.1 围岩应力分析

根据模拟开挖过程中的围岩竖向(Z向)应力云图1和图2可知，竖向应力主要集中在拱顶处和各开挖台阶的中上部。但随着施工逐渐结束，竖向应力逐渐向边墙和拱脚处发展，并在这两处均达到最大值。

图1 施工过程中围岩竖向应力云图

图2 施工结束时围岩竖向应力云图

现分析模拟隧道施工中，拱顶处(监测点1)在三种工况下围岩应力随着开挖深度的变化曲线如图3～图5所示。

由应力-开挖深度曲线图可知，拱顶处围岩竖向应力变化的整体趋势为先增大再减小最终趋于稳定。当开挖到6.0 m处时，竖向应力达到最大值，工况1的竖向应力为0.3 MPa。随着开挖深度的不断增加，竖向应力逐渐减小，三种工况的竖向应力均在0.1MPa左右处波动变化。随后围岩竖向应力逐渐趋于稳定，在开挖结束时达到0.05 MPa左右。

拱顶处围岩的最大主应力随着开挖施工呈现出先减小后增大的趋势，在8.0 m处逐渐减小后趋于稳定，最大主应力值为0.1 MPa。而最小主应力则与之相反，最小主应力为0.4 MPa。其中，工况3的围岩应力随着开挖深度变化幅度较小，一直在某一应力值范围处上下波动，并且工况3的围岩应力均处于最小值。

图3 拱顶处(监测点1)围岩竖向应力曲线

图4 拱顶处(监测点1)围岩最大主应力曲线

图5 拱顶处(监测点1)围岩最小主应力曲线

3.2 围岩水平位移分析

由围岩水平位移云图6可知，位移云图也呈轴对称分布，主要分布在边墙和拱脚处，分布区域呈45°向外扩散，其中拱脚处的水平位移最大，监测点1和6因没有水平位移所以不做进一步分析。

图6 围岩水平位移云图

对比三个工况的水平收敛曲线，随着台阶长度的增大，水平收敛位移逐渐增大，工况2比工况1水平位移明显增大，均增大了25 %左右。但当台阶长度达到一定数值，水平收敛位移量开始减小，由表中可看出工况3的位移量比工况2明显变小，却始终未小于工况1的位移值，说明台阶长度的适当增加有利于控制水平收敛变形。综合考虑，工况1台阶长度的取值更有利于控制围岩的水平位移。

3.3 围岩塑性区分析

在隧道浅埋段中围岩的抗拉强度和抗压强度均较差，对其进行三台阶七步开挖使得围岩受到过多的扰动；再加上开挖断面逐渐变大时，开挖过程中势必会形成围岩塑性区，进而影响隧道整体的稳定性。所以，应及时分析开挖模拟过程中引起的围岩塑性区变形。

由三种工况下隧道围岩塑性分布(见图7)可知，塑形发展区沿中轴线近似对称分布，主要出现在上、下监测线附近，并随着开挖的推进由上测线逐渐发展到下测线，即从边墙逐渐发展到拱腰，最后集中于拱脚处。通过对比三个工况的塑性区云图可知，工况1处拱脚的塑性区最小。当台阶长度达到6.0 m，围岩塑性区达到最大，所以增加台阶长度不利于控制隧道围岩的塑形变形。

图7 三种工况下隧道围岩塑性区云图

3.4 实际施工的监控数据分析

由图8可以看出，台阶参数优化后导致项目隧道在开挖过程中所产生的拱顶沉降明显减小。优化前的拱顶沉降最终为6.75 mm，优化后的拱顶沉降最终为5.80 mm，沉降值减小了20%左右。这是由于优化后上台阶长度变短、上台阶高度变大，使得初期支护闭合时间变早，故围岩能快速恢复稳定状态。

图8 优化前后拱顶沉降对比曲线

4 结论

本文通过对不同台阶长度变化下隧道的围岩应力、竖向及水平位移、地表下沉和塑形区范围进行分析，得出结论：三个工况的围岩应力相差不大，工况3的围岩应力值最小，但工况1的围岩竖向位移、围岩水平收敛位移、地表沉降位移和围岩塑性区均比其他工况小。二者相比之下，工况1不仅更有利于控制隧道的竖向和水平位移，还进一步抑制了围岩塑性区的发展，工况1中的台阶长度(2.0 m)更有利于隧道的开挖。