超前导洞不同扩建方案对隧道稳定性的影响研究

刘小鹏

(山西交通建设监理咨询集团有限公司 太原市 030000)

0 引言

多数隧道由于年代已经久远，设计标准与通行能力远达不到现在标准[1]，另外，基于环保要求，国家要求尽可能减少植被破坏。国内外学者考虑空间运用合理性，常常采用扩建方式进行建设，以减小对环境的影响[2]。乔宏[3]结合隧道拆除及扩挖，分析数据得出安全可靠的施工方法。梁文辉[4]采取矿山法对土质隧道进行扩建，得出相关土质隧道扩挖工艺。张勃蓬[5]据黄土隧道实例，选择不同扩建方案，确定出最优解。许明堂等[6]研究不同扩建工艺对围岩位移的影响，得出单侧扩建优于双侧。实际围岩情况不同，需根据不同情况采取不同施工方法，如全断面开挖、台阶开挖等。若围岩为III-V级，可采用全断面法或者两台阶法，V级围岩则需要更加精细的施工工艺，例如三台阶七步开挖法，CD法、CRD法等[7]。

不同初始地应力下，不同扩建方法可能会使建成后的隧道围岩应力存在差异，从而影响隧道稳定性。以超前导洞扩建成单洞公路隧道为背景，运用软件FLAC3D建立全断面扩建与两台阶扩挖模型，在超前导洞扩建成隧道后对围岩水平位移、竖向位移与塑性区范围进行分析，运用相关判定规则确定不同扩建方法的隧道稳定性。

1 项目概况

以超前导洞扩建成隧道为背景，隧道埋深约为40m。隧道围岩由片岩以及灰岩组成，岩土体完整性较好，风化程度为中风化，在开挖过程中可能导致隧道稳定性越来越差，在扩建施工过程中应该对位移与应力等必测与选测项目进行动态控制，积极调整施工工艺确保隧道施工稳定性，据相关工程资料显示扩建区域围岩为IV级。在超前导洞扩建过程中可采取不同扩建工艺示意图如图1。

图1 超前导洞不同扩建方案

2 模型与工况参数

初支为厚度30cm的C25喷射混凝土，将初期支护其他材料进行统一计算如式(1)进行求解化简，由于只考虑施工阶段，不对二衬进行分析，通过不设置二次衬砌实现施工阶段的严格把控，在施工过程中应该将围岩与初期支护视为一个共同承担围岩应力释放的结构。

(1)

式中：E为总弹性模量(GPa)；Ec为原混凝土弹性模量(GPa)；Eg为钢材弹性模量(GPa)；Sg为钢拱架等横截面面积(m2)；Sc为混凝土横截面面积(m2)。

将某圆形导洞视为超前导洞，其半径为2m，建立长90m宽90m×2m数值模型，采用理想弹塑性本构进行模拟，上部边界自由，左右前后与下部均取法向约束，将锚杆注浆等填充与加固措施视为一定范围加固圈，加固圈采用实体进行模拟，初支采取壳单元进行模拟，隧道与支护物理力学参数取值如表1。

表1 隧道与支护物理力学参取值

3 隧道稳定性分析

隧道监测点为拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与仰拱。由于隧道结构对称分布，取半边进行分析即可。位移与塑性区能直观表现出隧道实际状态，在数值模拟中相对于其余指标能够直观表达出来，因此研究不同扩建方案对隧道稳定性的影响主要从三方面入手(水平位移、竖向位移与塑性区)。位移表现为水平挤入、顶部沉降与底部隆起，若位移过大会侵入建筑轮廓；塑性区主要就塑性变形占据主导，是易发生破坏的区域。可利用相应指标对三者进行评价，判定隧道是否处于稳定状态。

通过众多学者研究及实际工程反映得出隧道开挖可以运用不同的施工方案，达到的效果也有所差异。基于超前导洞扩建，利用全断面扩建与两台阶扩建方案对隧道稳定性差异进行研究。

3.1 不同扩建方案的隧道水平位移分析

通过数值模拟实现超前导洞全断面扩建与两台阶扩建，得出拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与仰拱等五个部位的水平位移云图，研究超前导洞不同方案扩建的水平位移差异，模拟结果如图2。

图2 不同扩建方案的隧道围岩水平位移(单位：mm)

分析不同扩建方案的围岩水平位移，得出：

(1)超前导洞经过不同扩建方案形成的隧道水平位移均呈现向内部挤入的趋势，水平位移表现为向内部收敛，不同扩建方案的隧道位移较大的位置均分布于拱肩与拱腰范围内。

(2)分析水平位移云图及对应部位数值结果，全断面扩建方案的最大水平位移约为1.0mm，两台阶扩建方案的最大水平位移约为0.8mm。两台阶扩建方案最大水平位移小于全断面扩建，从水平位移角度分析得出两台阶扩建方案优于全断面扩建，侧面说明性质较差的岩体不适用于全断面开挖。

(3)从水平位移数值结果分析看出两台阶优于全断面，是由于两台阶扩建将隧道断面分为两部分开工，在上半部分扩建稳定后再继续施工下半部，其围岩水平位移变化程度小于全断面扩建。

3.2 不同扩建方案的隧道竖向位移分析

将拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与仰拱等五个部位的竖向位移值提取出来进行研究，如表2所示，探究超前导洞经过不同方案扩建成隧道的竖向位移是否存在着差异性，模拟数值结果云图如图3。

表2 隧道围岩竖向位移 mm

图3 不同扩建方案的隧道围岩竖向位移(单位：mm)

由表2与图3数据分析不同扩建方案的隧道围岩竖向位移得出：

(1)由图3围岩竖向位移云图可知，拱顶表现为沉降位移，拱底表现为隆起位移，隧道上部分向下挤入，下半部分向上隆起，沉降最大位移值均位于拱顶，隆起最大位移值均位于拱底。

(2)超前导洞经过不同扩建方案，隧道呈现出不同的位移变化规律，对比全断面扩建与两台阶法扩建，全断面扩建的隧道各部位围岩竖向位移明显大于两台阶法扩建，全断面扩建拱顶竖向位移为4.0mm，较之台阶法扩建增加1.5mm；全断面扩建拱底竖向位移为5.4mm，较之两台阶增大1.0mm。

(3)通过相关数据分析不同扩建方案差异性，从竖向位移角度可以看出两台阶扩建法更具有优点，扩建完成后隧道围岩位移变化更小，施工安全性较高。两台阶分成上下部分施工，边施工边进行初期支护的施作，防止围岩变形过大；全断面扩建虽一次性形成断面，对围岩也不形成多次扰动，但不进行分部施工，支护不及时易导致位移变大。

3.3 不同扩建方案的隧道塑性区分析

数值模拟相对实际工程，可以较为直接观察到隧道经过不同方案扩建之后的围岩塑性区，超前导洞经全断面与两台阶扩建后的隧道围岩体塑性区呈现出不同的分布规律，围岩塑性区如图4所示。

图4 隧道围岩塑性区分布规律

由图4对不同扩建方案的隧道围岩塑性区进行分析：

(1)超前导洞经不同扩建方案形成隧道，围岩塑性区存在一定差异性，全断面扩建的塑性区范围稍小于两台阶扩建。不同扩建方案的底部、拱脚处塑性区范围无明显差异，明显差异出现于拱顶、拱肩与拱腰部位，两台阶扩建的塑性区范围明显大于全断面扩建；拱脚处塑性区受剪切作用，拱脚破坏形式为剪切破坏，因此施工过程中应尽快封闭成环以提高抗剪能力。

(2)两台阶扩建的塑性区范围大于全断面扩建，这是因为围岩受到多次扰动的原因。全断面一次成形对围岩仅一次扰动；而两台阶段分部开挖，对隧道存在两次扰动，隧道塑性区难免有所增大，所以隧道上部分塑性区范围大于全断面扩建方案。

(3)塑性区范围越大并不能说明隧道稳定性越差，新奥法中复合式衬砌设计将围岩与支护视为受力整体，只要围岩塑性区范围不超过允许极限值，塑性区可充分发展并积极发挥自身承载能力，减小支护结构受力。利用相应隧道塑性区判据评价两种扩建方案的优劣性，若两者塑性区范围均在安全值内，那么两台阶扩建方案的衬砌受力越小，对隧道稳定性越好。

3.4 利用相应判据评判隧道稳定性

塑性区范围为塑性区域厚度，小于隧道洞直径20%为安全值，隧道高度为9.5m，塑性区安全范围1.9m；隧道埋深约为40m，按规范线性插值取0.26%，求出隧道允许位移为25mm。图5为不同扩建的塑性区范围判据。

图5 隧道塑性区范围安全判据

结合3.1、3.2与3.3节相关结论，利用相应判据对不同扩建方案的隧道稳定性作出评价：

(1)不同扩建方案的隧道水平位移与竖向位移均小于25mm，从位移角度分析得出隧道处于稳定状态，两台阶扩建方案更优。

(2)从图5可以看出两台阶扩建方案各部位塑性区范围稍大于全断面扩建方案，两种扩建方案的拱脚处塑性区范围均超过安全值1.9m，分别为2.5m与2.4m，说明隧道拱脚位置处可能存在局部失稳的风险，应该在施工过程中加强支护措施。

(3)通过水平位移、竖向位移以及塑性区判据对相应扩建方案的隧道稳定性做出了评价，仅从塑性区判据得出拱脚部位在施工过程中存在局部失去稳定的风险，位移评价指标显示隧道稳定性较好，但对比而言两台阶扩建方案更优。

4 结语

运用了FLAC3D软件对超前导洞扩建成隧道进行分析，探究经不同扩建方案施工后隧道稳定性的差异，得出隧道何处易失稳以及何种扩建方案更优，得到下列结论：

(1)从水平位移、竖向位移与塑性区范围三方面总结分析得出两台阶扩建方案优于全断面扩建。两台阶扩建方案的整体水平位移与竖向位移更小，虽塑性区范围更大，但发挥了围岩部分自承能力，减小支护结构受力且有利于隧道耐久性。

(2)不同扩建方案的水平竖向位移均小于极限位移值；但两种扩建方案的拱脚处塑性区范围均大于安全值，可能发生局部失稳的风险，隧道掘进过程中应关注拱脚处围岩稳定性，尽快封闭成环。

(3)超前导洞扩建成隧道应采取台阶法进行扩建，若围岩性质更差可采取三台阶分部等扩建方案，其更加有利于支护结构的受力特性；进行合理支护结构设计与施工让隧道安全储备越高，运营期间的耐久性能越好。