隧道地質(zhì)條件對開挖變形的影響及臺階法施工數(shù)值模擬優(yōu)化分析

趙帥 徐新興 劉鵬

摘要：佛嶺隧道地處軟弱圍巖條件，采用臺階法施工，其開挖過程的變形情況關(guān)系著隧道的穩(wěn)定性。采用 MIDAS/GTS 軟件對佛嶺隧道施工過程中的變形情況進行數(shù)值模擬，得到兩種進尺情況下不同開挖階段軟弱圍巖的變形情況，論證了隧道開挖施工方案的合理性。結(jié)果表明：采用臺階法預(yù)留核心土施工，該隧道安全可靠。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；數(shù)值模擬；變形分析

中圖分類號：U452.2+7文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0170-04

Theinfluenceof tunnelgeologicalconditionsonexcavationdeformationandtheoptimizationanalysisof numericalsimulationof stepmethodconstruction

ZHAO Shuai1， XU Xinxing2， LIU Peng3

（1. Shanxi Institute of Economic Management，Taiyuan 030024，China;

2. Taikang Health Industry Investment Holding Co.， Ltd.，Beijing Branch， Beijing 100020，China;

3. China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China）

Abstract： The Fouling Tunnel is located in weak surrounding conditions and is constructed using the step method. The deformation during the excavation process is related to the stability of the tunnel. This article uses MIDAS/GTS software to numerically simulate the deformation of the Fouling Tunnel during construction，and obtains the defor? mation of weak surrounding rock at different excavation stages under two different footage conditions，demonstrat? ing the rationality of the tunnel excavation construction plan. The results indicate that using the step method to re? serve core soil for construction is safe and reliable for the tunnel.

Keywords： weak surrounding；numerical simulation；deformation analysis

軟弱圍巖隧道開挖工程中變形大小對隧道穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要，也是目前研究隧道變形的一個熱點話題，眾多學者對軟弱圍巖大斷面隧道開挖方式進行了探討，使用數(shù)值模擬方法，為軟弱地層中的隧道開發(fā)提出了合理的建議。對于臺階法隧道開挖的研究，數(shù)值模擬基于計算機強大的計算能力已成為主要的分析手段。針對分別使用FLAC 3D、 MIDAS/GTS 軟件對不同工程的隧道開挖進行了數(shù)值模擬[11-14]，為施工中選擇合理的開挖方式提供了模擬，輔助選定了最佳的隧道開挖方式。本文以佛嶺隧道為例，對軟弱圍巖條件下新奧法施工的開挖方式進行了數(shù)值模擬，為實際開挖方式提供了合理的建議。

1 工程概況

佛嶺隧道位于五臺縣陳家莊鄉(xiāng)至盂縣梁家寨間佛嶺處，是一座雙向4車道分離式隧道，隧道寬為10.5 m，高5.0 m。隧道左線全長8803 m，右線全長8805 m。本文以左線隧道為對象進行研究，隧道進口位于移城河南岸二級階地上，覆蓋土層為黃土，屬于較平緩地勢；隧道出口位于牛道溝西岸斜坡處。隧道圍巖以黃土、殘破積碎石、泥質(zhì)巖等軟弱巖體為主；隧道所處地區(qū)的降水量小，雨季最高水位較隧道路面低0.5 m，同時，路徑的地表水系對擬建隧道影響不大。

隧道施工基于新奧法原理，對該隧道的施工開挖方式采用臺階法施工，擬采用上、下半斷面的形式進行開挖成型，為控制隧道地層變形，主洞采取“超前小導(dǎo)管周邊注漿加固”、“環(huán)形開挖預(yù)留核心土”、“長管棚超前支護”的方法，具體如圖1所示。如此便可從經(jīng)濟和安全的角度能夠最大程度上保障隧道開挖穩(wěn)定性。

為進一步探究隧道黃土化學成分，利用XRD 分析隧道黃土化學礦物成分。為了全面分析試樣的元素組成，選擇了大布拉格角（29）10°～90°和0.13°/s 的掃描速率，使用Ni 濾波，電壓30 kV，電流30 mA，掃描速度6°/min，溫度22℃ ，試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，土壤中的主要非粘土礦物仍然是石英、方解石和長石，且非粘土礦物成分含量占比較大。而主要的粘土礦物是伊利石和綠泥石。

2 有限元分析

基于計算機的強大計算能力和巖土本構(gòu)研究的發(fā)展，通過有限元數(shù)值模擬的方法能夠更為有效的通過試驗分析隧道開挖過程中的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等的變化情況。目前研究中使用的有限元軟件以 FLAC 3D 和 MIDAS/GTS 為主流，本文主要使用 MI? DAS/GTS 軟件對佛嶺隧道開挖過程進行工況模擬，進而分析其變形情況并判斷隧道穩(wěn)定性[15-18]。

2.1數(shù)值模型建立

基于MIDAS/GTS軟件對佛嶺隧道開挖過程工況進行模擬分析。本文軟弱圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性模型，襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

在力學參數(shù)方面，開挖過程以釋放荷載的形式體現(xiàn)在模型中，研究僅考慮自重荷載作用下的初始應(yīng)力大小。根據(jù)施工圖紙，結(jié)合新奧法施工的特點，二次襯砌前，圍巖及初次支護結(jié)構(gòu)已然承受了釋放出的荷載，故而可假定二次襯砌結(jié)構(gòu)不受力。結(jié)合佛嶺隧道軟弱圍巖的地質(zhì)情況，判定圍巖類型為Ⅴ級，其荷載釋放分配比例按照圍巖承擔20%、初次支護結(jié)構(gòu)承擔80%進行分攤。

考慮到MIDAS/GTS 具有初始位移自動清零的功能，可以避免在分析變形時初始位移對于變形分析的干擾，因此在設(shè)置初始應(yīng)力場能夠按照初始自重應(yīng)力形成應(yīng)力場，對其后的變形分析影響不大。由于佛嶺隧道屬于淺埋隧道，因此在設(shè)置圍巖參數(shù)時以實際勘察資料為準即可。

在支護結(jié)構(gòu)的模型建立中，按照表1的設(shè)計要求建立支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，其具體參數(shù)如表2所示，最終建立的隧道及支護結(jié)構(gòu)三維模型分別如圖3、圖4所示。

2.2 工況設(shè)置

按照圖1所示的開挖過程，在 MIDAS/GTS 中設(shè)置荷載釋放不同階段，形成了不同的工況；具體如表3所示。

3 變形結(jié)果分析

由于隧道是一個縱向長度遠大于水平尺寸的模型，因此可以視為平面應(yīng)變問題進行分析?；诓煌r的模擬，得到了不同的位移云圖，進而得以判斷該隧道開挖過程中的位移場變化情況[19-20]。

3.1 上環(huán)形臺階開挖階段

通過計算，得到上環(huán)形臺階開挖階段的水平位移及豎向位移云圖，具體如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，該開挖階段，拱頂沉降明顯，且集中于拱頂周邊，其位移數(shù)值隨著距離拱頂?shù)拈L度越遠呈現(xiàn)衰減，且衰減形態(tài)呈現(xiàn)出扇形的擴散狀。該形態(tài)進一步說明在上環(huán)形臺階開挖中拱頂?shù)拿撾x區(qū)存在的客觀性。從圖5（b）可以看出，該階段拱腳周邊的水平位移較大，但不足拱頂豎向位移的二分之一，說明拱腳處的約束作用明顯，其抗力區(qū)開始發(fā)揮作用。同時，從圖5（a）還可以看到，核心土處出現(xiàn)明顯的向上隆起，達到27.4 mm；但對于隧道底部設(shè)計標高而言影響較小，說明采用保留核心土的開挖方式可以減輕開挖初期對隧道設(shè)計底部標高處的變形影響。

3.2 核心土開挖階段

通過計算得到的核心圖開挖階段的位移云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，該階段的位移云圖分部呈現(xiàn)出與上環(huán)形臺階開挖階段相同的特征。從計算數(shù)值上看，拱頂?shù)呢Q向位移增加到2.89 mm，較前一階段增加了0.35 mm；而拱腳周邊的水平位移數(shù)值較前一段的增量為0.6 mm，說明核心土開挖對于拱頂?shù)淖畲蟪两档挠绊懚溉幌陆?。核心土底部隆起方面，新增隆起量?.63 mm，變化與拱腳水平位移接近，說明該階段對隧道圍巖拱腳及底部的變形影響大于拱頂?shù)挠绊懀坏傮w而言較前一階段變化不大。

3.3 下臺階土開挖階段

下開挖階段，拱頂豎向位移增量為0.46 mm，拱腳水平位移增量為0.27 mm，其分部情況大體與前2階段相同，從數(shù)值增量來看，雖然圍巖整體的位移增量變化不大，但豎直位移增量明顯大于水平位移增量?？拥茁∑鹞灰茷?.48 mm，達到開挖以來的最大值。下臺階開挖階段位移云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，通過不同階段的位移云圖對比分析，可以得到隧道圍巖變形的最大值為拱頂沉降，其值達3.36 mm；其次是圍巖底部隆起，其值達3.49 mm。而水平位移最大值為2.05～2.13 mm，這與新奧法施工中隧道圍巖的脫離區(qū)與抗力區(qū)的分布理論相一致，同時也指導(dǎo)施工中監(jiān)測重點要更多關(guān)注拱頂及底部位移。

整體分析隧道開挖過程，上環(huán)形土體開挖階段的豎向位移變形量占據(jù)總變形量的78.5%，是監(jiān)測中重點關(guān)注的開挖階段。

4 結(jié)語

本文通過建立佛嶺隧道左線隧道的有限元模型，定義3個階段的施工過程，對軟弱圍巖條件下的隧道開挖進行了模擬，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）采用臺階法保留核心土的開挖方式中，上環(huán)形土體開挖的變形最為顯著，應(yīng)當在新奧法施工中加強監(jiān)測頻率；

（2）各開挖階段的沉降值都明顯大于收斂值，故而軟弱圍巖隧道開挖中控制沉降值更為關(guān)鍵。

（3）選擇進尺越小，軟弱圍巖隧道開挖后的沉降值及收斂值越小，在考慮開挖方案時如遇變形超過限值時，減小進尺長度是一項有效措施。

（4）通過各開挖階段的數(shù)值模擬分析，佛嶺隧道采用超前小導(dǎo)管注漿加固、臺階法預(yù)留核心土的開挖方式能夠確保軟弱圍巖的變形在可控范圍之內(nèi)，其施工方案安全合理。

【參考文獻】

[1] 王木群.軟弱地層超大斷面連拱隧道開挖方式的探討[J].湖南交通科技，2022，48（2）：165-168.

[2] 王琛.軟弱圍巖地質(zhì)大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工技術(shù)優(yōu)化[J].四川水泥，2021（7）：220-221.

[3] 伍達富.桐梓隧道軟弱圍巖段高效施工研究[D].貴陽：貴州大學，2022.

[4] 朱雪健.軟弱圍巖大斷面隧道臺階法施工優(yōu)化研究[D].太原：太原科技大學，2021.

[5] 廉明.雙線鐵路軟巖隧道施工大變形控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學，2021.

[6] 秦昊，李春海，李長君等.軟弱圍巖條件下淺埋地下通道工程施工過程穩(wěn)定性分析及工法優(yōu)化研究[J].防護工程，2020，42（2）：40-49.

[7] 朱念焜，陳月順，賈晶磊.大斷面隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].太原學院學報（自然科學版），2021，39（1）：1-5.

[8] 徐新興.軟弱圍巖條件下山嶺隧道新奧法施工地層變形機理的研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[9] 李釗，梁慶國，孫文，等.隧道臺階法施工上臺階長度對隧道變形的影響[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2022，4（1）：59-66.

[10] 陶益勝，田發(fā)，劉雪東，等.臺階法施工技術(shù)在高速鐵路淺埋隧道工程中的應(yīng)用[J].四川建材，2022，48（10）：188-189.

[11] 李福獻.大斷面公路隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（2）：107-110.

[12] 許修亮，張魏魏.基于數(shù)值模擬的兩種隧道開挖工法對比研究[J].北方交通，2021（4）：91-94.

[13] 李向群，王寧，李宗效.某隧道開挖變形的數(shù)值模擬分析[J].吉林建筑大學學報，2022，39（3）：31-34.

[14] 陳小江.鄰近水庫長隧道開挖施工數(shù)值模擬分析[J].施工技術(shù)，2022，51（3）：45-49.

[15] 張寧，張光偉，劉瑞輝等.隧道臺階法施工中臺階長度的優(yōu)化分析[J].公路，2019，64（10）：299-303.

[16] 羅敏杰，黃辰奕，付智龍.流固耦合條件下尾礦壩加高穩(wěn)定技術(shù)與控制效果分析[J].粘接.2022，49（12）：146-150.

[17] 田大鵬.下穿公路大斷面隧道施工方案比選分析[J].施工技術(shù)，2019，48（1）：84-88.

[18] 王旭.大跨度隧道臺階法爆破開挖進尺研究[D].重慶：重慶交通大學，2019.

[19] 王春河，張愛軍，樊祥福等.上下臺階法和CRD 法施工下超大斷面隧道圍巖控制機制數(shù)值試驗研究[J].公路，2018，63（5）：313-317.

[20] 張軍謀.基于遙感技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析及信息提取[J].粘接.2022，49（10）：170-175.