深部软弱围岩隧道开挖方法数值比选研究

张书国 ZHANG Shu-guo；贺永胜 HE Yong-sheng；戴岭 DAI Ling；袁小虎 YUAN Xiao-hu

（①中建铁路投资建设集团有限公司，北京 102600；②军事科学院国防工程研究院，洛阳 471023）

0 引言

深部地下工程软弱围岩在施工过程中极易引发持续大变形、大体积塌方等不良灾害，因此，有必要对其诱发机制进行研究，其中开挖方法是导致众多大变形灾害的一项重要因素。隧道开挖过程中对围岩造成扰动，使围岩应力重分布，导致隧道出现坍塌、掉块、冒顶、持续大变形等不良问题，严重影响隧道施工安全性，合理的开挖方法对于软弱围岩隧道的安全稳定性具有重要作用，因此，急需寻找合适的隧道开挖方法。

针对开挖方法的选择，广大专家学者进行了大量研究，王伟锋[1]以广福隧道为例，采用FLAC3D模拟了全断面法、短台阶法、单侧壁和双侧壁导坑法四种工法下隧道围岩位移及塑性区的变化特点，进而选择合理的开挖工法，提高安全可靠性；汪小敏[2]以白炭坞隧道为例，采用数值模拟的方法研究了全断面开挖和上下台阶法对隧道围岩变形的影响；王树仁[3]研究了高地应力软岩隧道导硐式扩刷开挖与全断面开挖的变形效应并进行比对分析，优化了开挖方案，并得到了现场验证；孙欢欢[4]针对炭质板岩隧道，运用FLAC3D模拟了不同开挖方法影响下的地层变形规律，认为三台阶七部开挖法为最经济高效的开挖方法，该开挖方法下隧道围岩变形量、塑性区分布以及单元安全系数均在合理的范围内；耿招[5]采用FLAC3D对三台阶法和双侧壁导坑法的开挖过程进行了模拟，认为双侧壁导坑法更能有效控制围岩变形和塑性区发展；郭小龙[6]通过分析优化成兰铁路千枚岩隧道的开挖方法，认为应优化隧道断面，尽量采用大断面开挖。

隧道开挖方法直接决定了隧道施工的难易程度和安全可靠性，本文基于有限差分数值软件，选择CRD法、三台阶七部开挖法和三台阶法3种不同的开挖方法建立数值计算模型，输出模拟结果，分析其位移变化规律，为开挖方法的选择提供理论指导。

1 数值模拟

1.1 数值计算方法

本文数值计算采用FLAC3D有限差分数值软件，它基于拉格朗日差分算法，能够准确模拟塑性流动、软化、屈服及大变形，在复杂的岩土工程数值分析中具备显著的优势，但其建模以及单元网格划分等问题中仍旧存在一定困难，为此，将不同开挖方法断面进行简化，并采用内置建模命令以及Extrusion网格拉伸工具进行合理建模，以模拟动态施工。

1.2 隧道开挖方法

对于深部地下隧道工程常用的开挖方法有全断面开挖法、CRD法（交叉中隔壁法）、CD法（中隔壁法）、三台阶七部开挖法、三台阶法和上下台阶法等。本文拟寻找适合于深部软岩隧道的开挖方法，考虑软弱围岩所处工程地质条件，选取CRD法（交叉中隔壁法）、三台阶七部开挖法和三台阶法3种方法进行数值模拟，分析其位移变化规律。

1.3 建立模型

计算模型尺寸为50m×50m×20m，隧道横断面为直墙拱，埋深1200m。根据隧道埋深1200m，将隧道上覆地层（γ=25kN/m3）重力换算成地应力（σ1=30MPa）施加在计算模型上部边界（z=25m）上，模型上部为自由边界，下部（z=-25m）为固定边界，模型左、右（x=±25m）、前后（y=0、y=20m）边界施加位移约束，并且施加水平地应力σ2=σ3=45MPa。一次开挖进尺2m，一次进尺加施作初期支护为一循环。不同开挖方法支护措施仅考虑初期支护作用的影响，故仅将围岩力学参数进行替代，从而近似模拟初期支护的作用。各材料物理力学参数如表1所示。根据不同开挖方法建立对应数值计算模型并进行分组，如图1所示，其中三台阶七部开挖法分组情况如图2所示。隧道各个工法开挖步骤如表2所示。

表1 隧道力学参数

表2 隧道各个工法开挖步骤

图1 数值计算模型

图2 三台阶七部开挖法分组情况

2 不同开挖工法变形规律分析

对于深部地下工程开挖前，地下工程岩体处于稳定的应力平衡状态，随着开挖扰动的影响，其打破了原来的应力平衡状态，使得围岩形成临空面，围岩内部重新平衡并进行应力重分布，重分布下的应力导致围岩发生沉降、隆起等破坏。提取拱顶监测点，输出四次开挖步骤对应沉降位移值与对应应力云图进行分析，三台阶法、CRD法、三台阶七部开挖对应步骤应力云图如图3、图4、图5所示。

图3 三台阶开挖法围岩变形云图

图4 CRD开挖法围岩变形云图

图5 三台阶七部开挖法围岩变形云图

2.1 三台阶法由图3可知，三台阶工法下各个步骤的围岩最大沉降量分别为67.1mm、117.3mm、167.1mm、167.2mm，围岩最大隆起量分别为212.7mm、321.5mm、327.2mm、251.8mm。特别的输出拱顶监测单元沉降值进行分析：第一次上台阶开挖拱顶沉降值为59mm；第二次上台阶开挖拱顶沉降值为96mm，较第一次增长了62.7%；第三次上台阶开挖拱顶沉降值为133mm，较第二次增长了38.4%；第四次下台阶开挖拱顶沉降与仰拱隆起值分别为142mm、32.4mm，拱顶沉降较第三次增长了6.8%。随着上、中、下三台阶的开挖，拱顶沉降数值增加幅度越来越缓，拱顶沉降趋于收敛。

2.2 CRD法由图4可知，CRD工法下各个步骤的围岩最大沉降量分别为100.6mm、192.3mm、198mm、209mm，围岩最大隆起量分别为171.2mm、159.8mm、246mm、237mm。为更精确分析位移变化情况，输出拱顶监测单元沉降值进行分析：第一次左侧上台阶开挖拱顶沉降值为74mm；第二次左侧下台阶开挖拱顶沉降值为140mm，较第一次增长了89.2%；第三次右侧上台阶开挖拱顶沉降值为161mm，较第二次增长了15%；第四次右侧下台阶开挖拱顶沉降值为168mm，拱顶沉降较第三次增长了4.3%。随着交叉中隔壁开挖工法的向前推进，拱顶沉降数值增加幅度越来越缓，拱顶沉降趋于收敛。

2.3 三台阶七部开挖法由图5可知，三台阶七部开挖工法下各个步骤的围岩最大沉降量分别为56.6mm、108.5mm、154.2mm、157.7mm，围岩最大隆起量分别为188.5mm、294.8mm、348.3mm、283.8mm。为更精确分析位移变化情况，输出拱顶监测单元沉降值进行分析：第一次左侧上台阶开挖拱顶沉降值为45mm；第二次左侧下台阶开挖拱顶沉降值为80mm，较第一次增长了77.7%；第三次右侧上台阶开挖拱顶沉降值为112mm，较第二次增长了40%；第四次右侧下台阶开挖拱顶沉降值为119mm，拱顶沉降较第三次增长了6.3%。随着交叉中隔壁开挖工法的向前推进，拱顶沉降数值增加幅度越来越缓，拱顶沉降趋于收敛。

三种工法的不同开挖步骤下，由于围岩最大隆起位置均不相同，且大多数隆起位置不在隧道拱底，因此此处仅考虑拱顶沉降进行分析。提取上述不同开挖步骤的拱顶沉降数值如表3所示，三台阶七部开挖法无论是在初始变形、最终收敛变形还是随着开挖步骤的位移变化幅度均优于其他两种开挖工法。

表3 不同开挖工法下的拱顶沉降变化规律mm

为了更好地说明各个开挖工法对于深部软弱围岩拱顶位移稳定性的影响，提取距掌子面后方2m对应部位监测点位移情况作为拱顶沉降位移变化情况进行分析，其变化规律如图6所示。

图6 不同开挖工法下拱顶沉降随开挖步变化曲线

由图6可知，三种开挖工法下拱顶沉降随开挖步的变化规律相似，均经历了开挖初步变形阶段、变形阶段、变形收敛阶段3个阶段；在任一个阶段内，三台阶七部工法的变形均最平缓，可认为该方法对此深部地下工程围岩稳定性的影响最小。

3 结论

本文基于深部软弱隧道围岩，选取CRD法、三台阶七部开挖法和三台阶法三种开挖方法，建立FLAC3D数值计算模型，分析了不同开挖工法下的位移变化规律，结论如下：①由不同开挖步骤下拱顶沉降数值以及随开挖步变化曲线可知，三台阶七部开挖工法在初始变形、最终收敛变形以及变形幅度等方面均最优，可认为对此深部地下工程围岩稳定性的影响最小。②由变形规律曲线得出，围岩变形阶段可划分为初步变形阶段、变形阶段、变形收敛阶段3个阶段，对于不同地质条件的深部地下工程开挖，可根据具体支护结构、支护效果选择具体变形阶段进行分析，以选用更合理的开挖方法。