基于臺階法開挖隧道圍巖變形的分析與預測

王福和，王樹新

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來，隨著國家對基礎建設投資的不斷加大，以及西部投資發(fā)展的需求[1]，西部高速公路和鐵路發(fā)展迅速，受西部的自然地質(zhì)條件影響，隧道建設項目會越來越多，尤其復雜地質(zhì)情況下的長距離大跨徑隧道建設[2]，其中有限元仿真計算以及監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析為施工的安全建設和運營期的安全運行提供大量的指導。

臺階法開挖適用于軟弱地層、第四紀沉積地層、巖層，施工過程中無論地層變好還是變壞，都能及時變換成其他方法，故而被大面積采用和推廣，為了保證進度的同時確保工程安全，施工前進行有限元模擬仿真具有重要的作用，從工程參數(shù)的選用到實際施工步驟的模擬，以及計算結(jié)果的真實性，都將影響工程質(zhì)量和安全。如何通過前期研究正確及時的對施工過程的安全性進行評價，從而及時消除施工過程的危險點，提出經(jīng)濟的支護建議，控制圍巖過大變形，是設計和施工前期必不可少的過程。

韋秉旭和唐輝湘[3]利用FLAC3D 分別模擬湖南某高速公路某隧道在CRD 法與上下臺階法開挖條件下的施工過程，分析隧道開挖過程中圍巖的應力、位移及塑性區(qū)發(fā)展情況，研究兩種施工方法對軟巖隧道開挖的穩(wěn)定性影響。于增義[4]依托福建省南平市棋盤石隧道設計與施工，結(jié)合當前國內(nèi)外對隧道施工方法的研究現(xiàn)狀，應用有限元軟件ANSYS，對棋盤石隧道的施工進行了數(shù)值模擬，分析研究了棋盤石隧道在不同圍巖類別、不同施工方式、不同施工階段隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移特征和變化規(guī)律。徐賓賓等[5]針對老鷹山超長破碎帶隧道施工，利用有限元軟件Plaxis3D 計算分析了開挖過程中隧道的變形情況，著重考慮了圍巖等級、開挖方式、雙線隧道等對隧道沉降和水平位移的影響。周剛[6]以甘肅省某隧道為例，應用ANSYS 有限元軟件，對采用上下臺階法開挖大斷面隧道的穩(wěn)定性進行了模擬分析。然而由于隧道圍巖種類多樣，施工方法也各不相同，數(shù)值計算方法可彌補現(xiàn)場圍巖應力測量困難大的問題。本文為分析蘭渝鐵路龍池山隧道開挖方式、圍巖情況對隧道圍巖受力及變形的影響開展有限元計算，并將其與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模型的準確性，從而指導設計以及施工。

1 工程概況

蘭渝鐵路龍池山隧道工程中，開發(fā)隧道地質(zhì)均為II～III 類圍巖或節(jié)理發(fā)育的圍巖且圍巖開挖斷面最大跨度大于13 m，設計采用“臺階法”施工。選取龍池山隧道里程DK458+338—DK458+451 為典型分析區(qū)域。該段隧道為IV 級圍巖地段，隧道埋深約100 m，圍巖主要為千枚巖，隧道高12.9 m，最大跨度約14.7 m，埋深100 m?！芭_階法”施工方法，施工、支護順序見圖1。具體步驟為：施作上臺階；上臺階拱部初期支護；開挖下臺階中槽；邊墻開挖；邊墻初期支護，開挖仰拱，仰拱初支；二襯施作。初期襯砌為曲墻帶仰拱，初支采用長度3.5 m，間隔1.2 m（環(huán)向）×2 m（縱向）φ22 錨桿； 25 cm×25 cm φ6 鋼筋網(wǎng)；厚度為23 cm 的C25 噴射混凝土。為減少臺階之間施工的相互影響，臺階間距60 m 以上，洞身開挖循環(huán)進尺按1.5 m 進行。本文將采用數(shù)值模擬的手段對圍巖變形進行分析，計算“臺階法”圍巖開挖施工每一開挖工況下詳細的圍巖變形情況，評價支護方案，掌握圍巖受力狀態(tài)及分布，提出施工中注意事項。

圖1 臺階法施工、支護斷面圖Fig.1 Bench construction and support section drawing

2 模型建立

采用專門用于計算隧道工程的PLAXIS 3D 有限元軟件進行建模分析。由于隧道開挖多采用“臺階法”施工，是典型的三維問題，所以建立三維隧道模型，圍巖的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。

為了便于計算收斂，將初支進行簡化，噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)簡化為一層襯砌，錨桿區(qū)域則簡化為相應圍巖區(qū)局部加強，采用彈性模型。襯砌與圍巖剛性連接。無地下水作用。

施工步驟上只考慮圍巖開挖、初支變形情況，對于圍巖二襯施工，由于二襯施工時圍巖已基本穩(wěn)定，所以本次分析中不予考慮。數(shù)值模擬分析步驟為：根據(jù)隧道尺寸及圍巖，建立分析模型；參數(shù)賦值；定義邊界；劃分網(wǎng)格；設定初始條件；模擬隧道開挖和支護，分析圍巖變形及受力。

根據(jù)圍巖和襯砌的性質(zhì)，選擇材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

根據(jù)隧道實際地層和工程情況建立三維模型，為消除邊界的影響，模型左右各向外延伸隧道最大跨度5 倍的距離，下邊界向下延伸20 m。上邊界為自由邊界，無約束，左右邊界約束側(cè)向位移，下邊界豎向和側(cè)向位移均約束，為固定邊界。采用實體單元，網(wǎng)格密度大，計算結(jié)果在精度上是可靠的。根據(jù)實際開挖的臺階間距和循環(huán)進尺，隧道段長度103 m。

3 開挖與支護模擬分析

根據(jù)施工順序，分為4 大步來進行分析計算，1）地應力平衡；2）上臺階開挖和初支；3）下臺階中槽、邊墻開挖和初支；4）仰拱開挖和初支。

3.1 上臺階開挖，初支

采用有限元計算，模擬了上臺階開挖、初支的情況。上臺階開挖后立即進行初期支護。

模型計算了上臺階開挖、初支后豎向位移，并由豎向位移可知拱頂沉降、開挖后圍巖的整體和斷面豎向位移。圖2 為加支護后圍巖的整體和斷面豎向位移圖?？梢钥闯觯瑖鷰r開挖后產(chǎn)生了最大值為7.64 mm 的拱頂沉降，加支護后拱頂沉降速率減小，最終產(chǎn)生7.68 mm 的拱頂沉降。隧道里的圍巖由于開挖卸載的作用發(fā)生隆起，下部圍巖也受卸載作用有隆起的趨勢。

圖2 隧道支護后拱頂沉降Fig.2 Crown settlement after the tunnel support

數(shù)值分析中，空間的總位移值可認為與凈空收斂相對應。通過分析可知上臺階開挖、初支后空間總位移、未加支護圍巖總位移，最大總位移7.58 mm。圖3 為加支護后圍巖總位移的整體和斷面圖，最大總位移為7.62 mm。由圖3 可知，由于開挖卸載作用，隧道圍巖最大位移仍發(fā)生在拱頂位置，說明上臺階開挖拱頂以沉降變形為主，其他兩個方向變形很小。而且，圍巖變形由拱頂往兩側(cè)逐漸減小，隧道內(nèi)圍巖也發(fā)生了一定的隆起。初支施工后，圍巖發(fā)生0.04 mm 的位移，說明初支后圍巖逐漸穩(wěn)定，上臺階凈空基本收斂。

圖3 圍巖支護后總位移Fig.3 Total displacement after surrounding rock support

計算可得隧道圍巖在上臺階開挖、初支作用下的應力分布?？芍淼篱_挖、支護改變了圍巖應力分布，在初支與圍巖相接處圍巖應力最大，且有應力集中現(xiàn)象，極易在此位置發(fā)生破壞或不穩(wěn)定現(xiàn)象，施工中應注意，并盡快實現(xiàn)圍巖支護閉合。

3.2 下臺階中槽開挖，邊墻開挖、初支

下臺階施工分為開挖隧道中槽，邊墻開挖和初支。上下臺階間距60 m。根據(jù)仿真模擬可知下臺階中槽開挖，邊墻開挖、初支后圍巖總位移。在該工況分析計算中，認為上臺階施工后圍巖已穩(wěn)定，故在凈空收斂計算時，將上臺階施工后圍巖的位移設為零，單獨研究下臺階施工時圍巖的凈空收斂變形。由邊墻開挖圍巖總位移仿真分析結(jié)果可知由于中槽開挖卸載后，卸載的圍巖表面發(fā)生最大1.84 mm 的變形。而當邊墻開挖、支護后總位移進一步增大，邊墻開挖后最大總位移增加到4.55 mm，說明邊墻開挖對圍巖變形影響較大，初支后為4.56 mm，最大位置在上臺階與下臺階相交的位置。往拱頂和邊墻底位置變形逐漸減小，隧道內(nèi)部的圍巖也由于卸載發(fā)生一定的隆起。初支后，圍巖發(fā)生0.01 mm 的位移，說明初支后圍巖逐漸穩(wěn)定，下臺階凈空基本收斂。

根據(jù)分析可知下臺階中槽開挖、邊墻開挖和支護后的圍巖應力分布。中槽開挖后，由于邊墻位置圍巖還未開挖，因此上臺階施工后產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象并未緩解，臺階交接處仍為不穩(wěn)定位置。而隨著邊墻的開挖，圍巖應力逐步沿邊墻向下擴散，應力集中現(xiàn)象緩解，到邊墻支護后，應力進一步擴散，已無應力集中。由上分析可知，上、下臺階施工間隔時間不宜過長。

3.3 仰拱開挖，初支

上、下臺階開挖后，即可進行仰拱的開挖和支護，形成支護閉合。

根據(jù)仿真模擬可以得到仰拱開挖、支護工況下圍巖總位移。同樣在該工況分析計算中，認為下臺階施工后圍巖已穩(wěn)定，在凈空收斂計算時，將下臺階施工后圍巖的位移設為0。由仰拱開挖圍巖總位移仿真分析結(jié)果可見，仰拱開挖施工對隧道圍巖影響較小，由于卸載，圍巖發(fā)生最大變形僅為0.85 mm，發(fā)生在仰拱的中間位置，主要為向上的隆起變形，工程影響較小。仰拱加支護后圍巖最大的變形為0.86 mm，相比開挖施工，支護后圍巖變形速率較小，圍巖只發(fā)生0.01 mm的變形。

根據(jù)仰拱開挖和支護后圍巖應力分布仿真結(jié)果可知，仰拱開挖、支護對圍巖應力影響不大。由于卸載作用，在隧道底部位置發(fā)生一定的應力釋放，底部圍巖應力減小。隧道兩側(cè)應力進一步向隧道底部擴散，使得隧道的應力分布更均勻，隧道支護閉合，圍巖已穩(wěn)定，未見應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的比較

為了驗證模型及參數(shù)的合理性，選擇典型的斷面進行實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比分析。將已形成閉合的斷面DK458+378 作為典型分析斷面，在該斷面數(shù)值計算模型上選擇與現(xiàn)場測點相對應的測點，給出各個測點在相應時間下的變形值，與現(xiàn)場實測值進行了對比分析，見圖4。

圖4（a）為圍巖拱頂沉降實測值與計算值的對比，可以看出，二者基本相同，前期基本吻合。實測數(shù)據(jù)在最后的幾天，要稍大于計算值，認為是現(xiàn)場復雜的施工環(huán)境與數(shù)值分析理想的狀態(tài)之間的差異而引起的誤差。由圖4（b）可知，上臺階凈空收斂的計算值稍大于實測值，二者趨勢相同，基本吻合。由圖4（c）可知，下臺階凈空收斂計算值要大于實測值，實測值下臺階收斂值為0.87 mm，計算值最大為1.1 mm，考慮模型的收斂問題，數(shù)值計算中做了一定簡化，造成了一定的誤差，由于下臺階凈空值只有1 mm 左右，所以實測值和數(shù)值計算結(jié)果之間的差異看上去比拱頂沉降和上臺階收斂的差異要大，實際上其差值僅0.24 mm，在合理范圍之內(nèi)。

圖4 實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of measured data and calculation results

綜上，在不考慮現(xiàn)場復雜施工環(huán)境與數(shù)值分析理想狀態(tài)之間差異的影響，數(shù)值計算結(jié)果與實測值擬合較好，說明計算所采用的模型和參數(shù)是合理的，計算的結(jié)果也是可靠的。

5 結(jié)語

本文以蘭渝鐵路龍池山隧道為例，建立了3D有限元數(shù)值模型，對“臺階法”開挖隧道過程進行了模擬，得出結(jié)論如下：

1） 在模擬計算的里程為 DK458+338 —DK458+451 內(nèi)，采用“臺階法”施工，上臺階開挖、支護后的隧道最大拱頂沉降為7.68 mm，最大的凈空收斂值為7.62 mm，下臺階施工完成后隧道最大凈空收斂值為4.56 mm，仰拱施工后隧道變形值為0.86 mm；變形均發(fā)生在圍巖開挖后，加入支護后圍巖變形速率減小，圍巖逐漸穩(wěn)定；

2）上臺階圍巖開挖、支護施工后，在臺階相接處有應力集中現(xiàn)象，圍巖容易發(fā)生破壞或不穩(wěn)定，而在下臺階施工后，圍巖應力逐步擴散，應力集中現(xiàn)象逐漸消失，因此，在滿足施工要求的條件下，上、下臺階施工間隔時間不宜過長，應盡早進行下臺階施工；

3）通過實測值與數(shù)值計算值的對比分析，計算模型及參數(shù)合理，結(jié)果可靠。相比現(xiàn)場監(jiān)測，數(shù)值分析方法可掌握隧道和周圍的圍巖整體的變形趨勢，更直觀全面地了解隧道施工過程中的圍巖狀態(tài)，評價施工方法，提出施工應對措施。而且數(shù)值計算可對圍巖應力進行分析，彌補現(xiàn)場圍巖應力測量困難大的問題。因此，隧道施工中，可將數(shù)值分析方法與現(xiàn)場監(jiān)測方法相結(jié)合，達到對新奧法隧道施工更全面的監(jiān)控；

4） 對于與數(shù)值模擬類似的IV 級圍巖地段，采用“臺階法”施工是可行的。

綜上所述，有限元結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果比較吻合，可有效地指導現(xiàn)場安全施工，本文結(jié)果可為同類型施工提供參考。