浅埋水工隧道开挖工法对比研究

丁 莹，冯思超

（华北水利水电大学 地球科学与工程学院，郑州 450000）

随着我国经济的飞速发展，国家对各基建工程的投入也在不断增长，各大基建工程都在往地质条件复杂的山区发展。为响应国家“十四五”规划，各地启动修建的许多抽水蓄能工程，需要修建许多浅埋水工隧道。水工隧洞承载着引水、输水和排水等重要功能，在实现规划发展目标中扮演着十分重要的角色。然而，当隧道埋深较浅，地表地质条件较差时，隧洞开挖极易发生塌陷、突水等安全事故。

对于浅埋隧洞而言，其地表地质条件较差，隧洞围岩自稳能力较弱，开挖极易出现冒顶、涌水等问题。因此，许多专家学者在隧洞开挖变形方面做出了研究。伍良波等[1]基于Mohr-Coulomb 准则，采用极限分析法计算浅埋隧道的围岩压力和稳定系数；李生杰等[2]以高速公路隧道安远隧道为例，根据数值模拟结果和监测数据比对分析得出软岩大变形的特性和发生变形的主要原因；张卫国[3]对某超浅埋风积砂质新黄土隧道在施工时运用超前小导管进洞技术进行研究，得出超前小导管进洞技术在该类隧道现场施工时各方面的优势极大。袁青等[4]对富水浅埋软岩隧道软岩大变形机理进行研究，得出大变形是由多种因素耦合形成的，地下水为主要控制因素，并对此提出“内外结合”的主动控制技术。

本文以某浅埋水工隧洞工程为例，通过FLAC3D模拟隧洞开挖过程，对比不同开挖工法下隧洞围岩位移、锚杆应力和喷混位移，选择该工程适合的开挖工法，并对其他工程提供一定参考。

1 计算模型建立

1.1 工程概况

本文以该工程隧洞所穿Ⅴ围岩段为原基础，隧洞宽5.1 m，高5.835 m，该段埋深约为18～20 m，其围岩主要以角闪片岩为主，隧洞所穿岩层为强风化角闪片岩，其岩体强度弱，节理发育，为Ⅴ级围岩。

该隧洞支护方案为初期支护使用喷锚支护，之后进行二次衬砌，Ⅴ级围岩段灌浆锚杆设计参数：灌浆锚杆采用3 m 径向锚杆，间距1.0 m，排距1.0 m，喷混部分采用C20 混凝土挂网喷护，厚20 cm，衬砌部分采用C25 混凝土进行衬砌，厚60 cm。

1.2 模型建立

该模型建立基于应尽量减少“边界效应”影响的原则，边界横向上取隧洞中心到左右边界的距离约3～5倍洞径，而下边界到洞底的距离为2～3 倍洞径。根据上述原则，建模时横向从隧洞中线位置向两侧各取25 m、竖向取仰拱底部以下30 m、竖向上边界为地表，沿隧洞纵向取30 m。网格基本为1.5 m×1.5 m×1.5 m 的六面体网格，隧洞附近加密处理。模型共包括实体单元46 317 个，节点45 519 个，建立模型如图1 所示。

图1 地层模型示意图

1.3 参数选取

隧洞施工分为2 种开挖工况，分别为全断面开挖和三台阶法开挖，2 种工况的进尺都为3 m。其中，全断面开挖工法一个进尺为3 m，每个进尺按顺序进行开挖，共10 个进尺，每个进尺开挖完成后即刻进行初期支护，随即开始下一步开挖并进行初期支护，在每一个进尺开挖和支护完成以后，再对前一个进尺隧洞施加二次衬砌；台阶法开挖通过将隧洞分成3 部分进行分层开挖，并保持边开挖边支护原则，首先开挖上台阶并施加初期支护，之后中台阶滞后上台阶一个进尺进行开挖并施加初期支护，下台阶同理。3 个台阶可以同时进行独立开挖，等同一进尺的三台阶开挖完成后，一次性施加二次衬砌。表1 为隧洞围岩物理参数，表2 为隧洞围岩物理参数和各支护参数。

表1 2#隧洞围岩物理参数

表2 隧洞支护方案设计参数

2 开挖方案结果分析

2.1 不同工况下围岩位移分析

以下是通过FLAC3D软件进行数值模拟后，获得三台阶法和全断面法完全开挖后形成的位移云图，如图2—图3 所示。

图2 三台阶法开挖隧洞围岩位移云图

图3 全断面法开挖隧洞围岩位移云图

隧洞开挖结束后，对比2 种开挖工法，2 种开挖工法均围绕隧洞开挖面产生变形，2 种工法最大位移均位于拱顶，三台阶法隧洞各台阶开挖总位移最大的位置均位于拱顶，地表次之，而隧洞侧壁位移最小。2 种工法中地表、隧洞拱顶和隧洞侧壁的位移见表3。

表3 不同开挖工法下各关键点位移

综合上述分析可知，2 种工法围岩位移呈现趋势基本相同，只是量值上呈现差异，并与实际工程围岩位移相符合。全断面法的位移小于三台阶法主要原因在于三台阶法开挖时，二次衬砌支护需要等到三个台阶全部开挖完成后进行支护，隧洞最大位移在上台阶拱顶位置，其开挖完成后虽立即增设初期支护，但二次衬砌时间与进尺跨度大，不利于限制围岩的变形。并且全断面法开挖时间和对围岩的扰动相较于三台阶法更小，减少人为对隧洞围岩变形的影响。

2.2 不同工况下初期支护锚杆应力分析

本节对支护体系结构中的灌浆锚杆的不同工况进行有限元建模计算，分析各种工况下支护结构的受力特点，从而对比两种工法适用性。

由于全断面开挖与三台阶法开挖一个循环的进尺不同，故采用2 种工法全段开挖完成后的锚杆应力进行分析。如图4 所示。

图4 不同工况下锚杆应力云图

由图4 可知，2 种工法锚固段的受力以洞轴线对称分布，其中拱顶、拱顶两侧受力比较大，最大受力点在拱顶处，拱脚位置受力较小；对于全段隧洞而言，主要在临近每个进尺的掌子面受力较大。对于2 种不同开挖工法来说，三台阶法开挖使锚杆受力更大，轴向应力最大为30.2 MPa；而全断面法开挖使锚杆受力较小，轴向应力最大为20.7 MPa。

2.3 不同工况下初期支护喷混位移分析

由于全断面开挖与三台阶法开挖一个循环的进尺不同，故采用2 种工法全段开挖完成后的喷混位移进行分析。如图5、图6 所示。

图5 三台阶法喷混位移云图

图6 全断面法开挖喷混云图

由上图可知，2 种工况的喷混位移云图趋势大致相同，喷混位移都表现出围绕隧洞中线对称分布的现象，并且最大变形位置都为拱顶与侧壁，表4 为二者不同位置位移比较。

表4 不同工法喷混变形位移mm

隧洞开挖结束后，对比2 种开挖工法，2 种开挖工法喷混均围绕隧洞开挖面产生变形，2 种工法最大位移均位于拱顶。对比2 种工法在整体位移、拱顶和侧壁位置位移全断面法开挖要小于三台阶法。

从以上结论可得到全断面法和三台阶法各有优劣，全断面法开挖时喷混的变形小于三台阶法开挖时喷混的变形，但在底板位置有较大位移。

3 结论

通过三台阶法和全断面法2 种开挖方法进行数值模拟对比分析模拟结果，总结如下。

1）在围岩位移方面，2 种工法最大位移均位于拱顶，地表次之，而隧洞侧壁位移最小。整体来看，全断面法在控制隧洞围岩变形方面效果更佳。

2）在初期支护锚杆应力方面，2 种工法锚固段的受力以洞轴线对称分布，最大受力点在拱顶处，拱脚位置受力最小。三台阶法开挖使锚杆受力较大，轴向应力最大为30.2 MPa；而全断面法开挖使锚杆受力较小，轴向应力最大为20.7 MPa。全断面法的锚杆应力相较于三台阶法的锚杆应力偏小，与围岩位移趋势相符合。

3）在初期支护喷混位移方面，2 种工况的位移云图趋势大致相同，最大变形位置都为拱顶与侧壁。全断面法开挖过程中喷混底板位置有较大竖向位移，而三台阶法中喷混侧壁位置位移较集中，整体位移上全断面法小于三台阶法，2 种工法各有优劣。

综上所述，对于该工程而言，全断面法较三台阶法开挖更具稳定性，符合规范要求。