不同开挖法对某隧道开挖的围岩稳定性分析

2023-01-14彭杨有央金卓玛代超强

科技和产业 2022年12期

彭杨有，陶伟，央金卓玛，张根，代超强，张甫

(西藏大学工学院，拉萨 850013)

随着时代的进步，西藏的发展也迎来新的机遇，公路与铁路的建设规模继续扩大，隧道的建设数量也在不断增加。但是在建设过程中，其地理环境特殊、地质条件复杂、施工难度大、深埋隧道在开挖过程中围岩的变形也更加严重。因此对深埋隧道开挖的变形及围岩稳定性的研究成为西藏隧道开挖重点研究的问题。

深埋隧道的围岩变形是地下工程开挖过程中经常遇到的工程地质问题，具体表现为拱顶、仰拱、侧墙变形等，可能带来的工程问题将会威胁施工人员安全和财产损失[1]。在隧道施工过程中，根据环境的不同选择合适的施工开挖方法是很重要的[2]，提前掌握在应力场影响下围岩变形、应力变化的规律，可以判断围岩的稳定性[3]，能为合理选择施工方案具有重要意义。数值计算是分析隧道稳定性的重要手段，代树林等、杨剑、杨招等用MIDAS/GTS软件进行数值模拟，分析隧道开挖围岩受力变形特征，塑性区开展情况以及地表沉降的变化计算结果进行对比分析，并对其进行了优化后的数值模拟分析[4-6]；朱庆贤、严涛等用ANSYS建立三维有限元模型模拟了全断面开挖法和上下台阶开挖法拱顶的沉降和围岩应力变化规律以及衬砌纵向稳定性[7-8]；耿招等、周亚东等、王宇皓等采用 FLAC3D进行隧道开挖过程模拟计算，对围岩变形和塑性区发展进行了对比分析，在既定支护条件下围岩的塑性区变化，竖向位移和横向位移以及在不同工况隧道开挖对高地应力下硬岩应力、应变和位移的扰动进行了分析[9-11]。王润钰等、候丰等运用有限元分析软件 Plaxis对双侧壁导坑法隧道的施工过程开展数值模拟，分析其隧道围岩衬砌开挖位移变化[12-13]。前人在隧道开挖过程中的稳定性分析方面进行了一定的研究，其计算结果在隧道施工中发挥了重要的指导作用。

两台阶分步开挖法，在某些围岩条件下，控制变形是较为有利的。三台阶开挖法的最大特点在于其取得综合进尺的工效更高，是中国在两台阶开挖法的基础上研究提出。全断面开挖法进尺快，并且有利于围岩的稳定。上述3种方法均在中国不同条件下的工程建设中起到了积极的作用。

以川藏铁路色季拉山隧道为研究对象，利用Geo-Studio中的SIGMA/W模块对钻孔SJLSZ-1位置处的掌子面分别进行三台阶开挖法、两台阶开挖法、全断面开挖法的数值模拟，并分析其位置掌子面开挖的应力变化及变形情况，从而得出不同开挖法对隧道开挖的围岩稳定性影响。

1 工程概况

色季拉山隧道长37 965 m，位于林芝市巴宜区境内，里程桩号为CK1215+950～CK1255+760。平均海拔3 000 m，最高海拔为山顶5 300 m，最低海拔2 000 m。山体各时代地层发育，岩石类型分布庞杂，变质岩、沉积岩、岩浆岩在区内均有出露，主要有泥盆系、三叠系的板岩、片岩、片麻岩、大理岩以及侏罗纪的泥岩等。隧道洞身主要岩层为喜山期花岗岩及闪长岩、加里东期花岗岩，其隧道地区的地貌主要为构造地貌，南部属于喜马拉雅山，北部为念青唐古拉山，东部为横断山脉，西北部尚存冈底斯山余脉。上覆的第四系覆盖层主要有冰水沉积、洪坡积和崩塌坡积块石、碎石、粉质黏土、粉砂、冲、洪积粉砂、卵石层，隧道整体主要以III级围岩为主。色季拉山隧道地质如图1所示。选取钻孔位置SJLSZ-1围岩为III级围岩，围岩条件较好。

图1 色季拉山隧道地质图

在钻孔位置SJLSZ-1进行岩性样品的采集，以便后期进行相关的试验，确定岩性样品的参数，如泊松比、重度等，更好地进行数值模拟结果分析。钻孔深度岩性分布见表1。

表1 SJLSZ-1钻孔岩性分布

2 数值模拟

在建模的过程中，简化模型和只考虑主要的建模参数可以提高计算结果的准确性和计算效率，因此做如下假设：①不考虑地下水影响，岩体为各项同性介质，隧道及围岩的受力和变形是平面问题；②距设计隧道上方最近的岩性主要为闪长岩，此钻孔位置为达到隧道开挖的位置，以闪长岩为整个模型的岩性设置；③不考虑模型的侧压系数。

2.1 模型建立

由圣维南理论[14]可知，隧道洞室与四周围岩存在一定的扰动关系，即开挖围岩离隧道洞室越远，受影响越小，反之受影响越大。模型横向考虑5倍洞径，竖向考虑7倍洞径。并用Geo-Studio中的SIGMA/W模块，选用Mohr-Coulomb模型，设置的数值模型为52 m×43 m，洞室设置为圆形，半径为3.5 m。为了更好地监测隧道围岩在开挖后围岩的应力变化及变形情况，设置了7个监测点，选定位置隧道开挖的掌子面模型如图2所示。

图2 数值模拟示意图及监测点设置

2.2 计算工况和边界条件

为了更好地了解不同开挖方法在开挖过程中引起的隧道围岩应力变化并选出较为合适的开挖方法，选取三台阶开挖法、两台阶开挖法、全断面进行数值模拟分析。开挖顺序：均是沿着隧道的中线，由隧道的拱顶向下开挖的距离，每一步开挖后均施加衬砌。全断面开挖法即一次性全部开挖，并施加衬砌。3种方法开挖工况设计见表2。

表2 隧道开挖工况设计单位：m

模型的左边界和右边界以及下边界均设置为固定XY边界，模型的上部应力条件为岩体的自重产生。

2.3 参数选取

在钻孔位置处取得岩性之后，通过距离开挖隧道最近围岩的闪长岩进行相关参数测试试验，并查阅锚杆和混凝土参数的相关资料，获取相关参数。其数值计算参数见表3。

表3 数值计算参数

3 计算结果分析

3.1 应力特征分析

为了能更好地分析三台阶开挖法、两台阶开挖法、全断面开挖法的分步开挖模拟后应力的分布情况及影响，得到3种开挖方法完成后隧道围岩的应力状态分布图，3种方法开挖后围岩的最大主应力分布状态如图3所示。

图3 最大主应力云图

3种方法开挖后，隧道围岩的最大主应力主要关于隧道中线对称分布，并且最大主应力主要分布在隧道的左拱腰以及右拱腰，拱顶以及仰拱的最大主应力相对较小，仰拱的主应力向下延伸的距离相对隧道拱顶延伸的较短，拱顶的应力延伸到了模型的上部。在分析应力主要集中区的数值后，绘制成表，见表4。

表4 3种方法开挖后围岩应力集中部位的应力值单位：kPa

通过分析3种开挖法的应力集中区域数值，两台阶开挖法的应力值最大，全断面开挖法的应力值最小。

3.2 位移分析

为了更好地分析围岩开挖变形情况，除应力特征分析，其位移分析也能较好地体现出围岩变形情况。3种方法开挖后的位移云图如图4所示，隧道围岩的XY位移量近乎呈对称分布，XY位移量主要集中在隧道的拱顶及仰拱，且仰拱的XY位移量均大于拱顶的XY位移量，拱顶位移量均大于24 mm，仰拱位移量均大于28 mm；隧道围岩左右两部分的XY位移量是最小的，均小于10 mm。三台阶法和两台阶法拱顶和仰拱的XY位移量均大于全断面法拱顶和仰拱的XY位移量。

图4 XY位移云图

在位移分析中，围岩开挖XY位移量主要集中在隧道的拱顶及仰拱，其各方法开挖集中位移处的位移量统计见表5。

表5 3种方法开挖后围岩位移集中部位的位移量单位：mm

通过分析3种开挖法的XY位移集中区域数值，两台阶开挖法的位移量数值最大，全断面开挖法的XY位移量数值最小。

3.3 监测点分析

对相同的断面隧道采用三台阶开挖法、两台阶开挖法、全断面方法对开挖过程进行了数值模拟计算，不同开挖法的监测点数据绘制成折线图，如图5所示。

图5 3种方法监测点数据折线图

在同一围岩条件下，3种方法开挖后，7个监测点的最大主应力主要集中在左拱腰和右拱腰，两台阶开挖法左拱腰为759.83 kPa，右拱腰为829.20 kPa；三台阶开挖法左拱腰为735.41 kPa，右拱腰为767.72 kPa；全断面法左拱腰为690.30 kPa，右拱腰为721.17 kPa。对比7个监测点的XY位移量主要集中在隧道左拱脚和右拱脚，其中三台阶开挖法左拱脚的位移量为30.3 mm，右拱脚的位移量为29.0 mm；两台阶开挖法的左拱脚位移量为30.5 mm，右拱脚位移量为29.3 mm；全断面开挖法的左拱脚位移量为29.9 mm，右拱脚位移量为28.3 mm。

通过监测点对比发现，三台阶开挖法和两台阶开挖法的最大主应力数值均大于全断面开挖法，且两台阶开挖法最大主应力数值大于三台阶法；三台阶开挖法和两台阶开挖法的最大XY位移量均大于全断面开挖法，两台阶开挖法的最大XY位移量大于三台阶开挖法。综合分析对比，在选取围岩条件下，全断面开挖法为最优，三台阶开挖法次之，两台阶开挖法最差。