深部軟弱圍巖隧道開挖方法數(shù)值比選研究

張書國(guó) ZHANG Shu-guo；賀永勝 HE Yong-sheng；戴嶺 DAI Ling；袁小虎 YUAN Xiao-hu

（①中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102600；②軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，洛陽 471023）

0 引言

深部地下工程軟弱圍巖在施工過程中極易引發(fā)持續(xù)大變形、大體積塌方等不良災(zāi)害，因此，有必要對(duì)其誘發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究，其中開挖方法是導(dǎo)致眾多大變形災(zāi)害的一項(xiàng)重要因素。隧道開挖過程中對(duì)圍巖造成擾動(dòng)，使圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)坍塌、掉塊、冒頂、持續(xù)大變形等不良問題，嚴(yán)重影響隧道施工安全性，合理的開挖方法對(duì)于軟弱圍巖隧道的安全穩(wěn)定性具有重要作用，因此，急需尋找合適的隧道開挖方法。

針對(duì)開挖方法的選擇，廣大專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，王偉鋒[1]以廣福隧道為例，采用FLAC3D模擬了全斷面法、短臺(tái)階法、單側(cè)壁和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法四種工法下隧道圍巖位移及塑性區(qū)的變化特點(diǎn)，進(jìn)而選擇合理的開挖工法，提高安全可靠性；汪小敏[2]以白炭塢隧道為例，采用數(shù)值模擬的方法研究了全斷面開挖和上下臺(tái)階法對(duì)隧道圍巖變形的影響；王樹仁[3]研究了高地應(yīng)力軟巖隧道導(dǎo)硐式擴(kuò)刷開挖與全斷面開挖的變形效應(yīng)并進(jìn)行比對(duì)分析，優(yōu)化了開挖方案，并得到了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證；孫歡歡[4]針對(duì)炭質(zhì)板巖隧道，運(yùn)用FLAC3D模擬了不同開挖方法影響下的地層變形規(guī)律，認(rèn)為三臺(tái)階七部開挖法為最經(jīng)濟(jì)高效的開挖方法，該開挖方法下隧道圍巖變形量、塑性區(qū)分布以及單元安全系數(shù)均在合理的范圍內(nèi)；耿招[5]采用FLAC3D對(duì)三臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖過程進(jìn)行了模擬，認(rèn)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更能有效控制圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展；郭小龍[6]通過分析優(yōu)化成蘭鐵路千枚巖隧道的開挖方法，認(rèn)為應(yīng)優(yōu)化隧道斷面，盡量采用大斷面開挖。

隧道開挖方法直接決定了隧道施工的難易程度和安全可靠性，本文基于有限差分?jǐn)?shù)值軟件，選擇CRD法、三臺(tái)階七部開挖法和三臺(tái)階法3種不同的開挖方法建立數(shù)值計(jì)算模型，輸出模擬結(jié)果，分析其位移變化規(guī)律，為開挖方法的選擇提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

本文數(shù)值計(jì)算采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件，它基于拉格朗日差分算法，能夠準(zhǔn)確模擬塑性流動(dòng)、軟化、屈服及大變形，在復(fù)雜的巖土工程數(shù)值分析中具備顯著的優(yōu)勢(shì)，但其建模以及單元網(wǎng)格劃分等問題中仍舊存在一定困難，為此，將不同開挖方法斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用內(nèi)置建模命令以及Extrusion網(wǎng)格拉伸工具進(jìn)行合理建模，以模擬動(dòng)態(tài)施工。

1.2 隧道開挖方法

對(duì)于深部地下隧道工程常用的開挖方法有全斷面開挖法、CRD法（交叉中隔壁法）、CD法（中隔壁法）、三臺(tái)階七部開挖法、三臺(tái)階法和上下臺(tái)階法等。本文擬尋找適合于深部軟巖隧道的開挖方法，考慮軟弱圍巖所處工程地質(zhì)條件，選取CRD法（交叉中隔壁法）、三臺(tái)階七部開挖法和三臺(tái)階法3種方法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其位移變化規(guī)律。

1.3 建立模型

計(jì)算模型尺寸為50m×50m×20m，隧道橫斷面為直墻拱，埋深1200m。根據(jù)隧道埋深1200m，將隧道上覆地層（γ=25kN/m3）重力換算成地應(yīng)力（σ1=30MPa）施加在計(jì)算模型上部邊界（z=25m）上，模型上部為自由邊界，下部（z=-25m）為固定邊界，模型左、右（x=±25m）、前后（y=0、y=20m）邊界施加位移約束，并且施加水平地應(yīng)力σ2=σ3=45MPa。一次開挖進(jìn)尺2m，一次進(jìn)尺加施作初期支護(hù)為一循環(huán)。不同開挖方法支護(hù)措施僅考慮初期支護(hù)作用的影響，故僅將圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行替代，從而近似模擬初期支護(hù)的作用。各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)不同開挖方法建立對(duì)應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行分組，如圖1所示，其中三臺(tái)階七部開挖法分組情況如圖2所示。隧道各個(gè)工法開挖步驟如表2所示。

表1 隧道力學(xué)參數(shù)

表2 隧道各個(gè)工法開挖步驟

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 三臺(tái)階七部開挖法分組情況

2 不同開挖工法變形規(guī)律分析

對(duì)于深部地下工程開挖前，地下工程巖體處于穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著開挖擾動(dòng)的影響，其打破了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得圍巖形成臨空面，圍巖內(nèi)部重新平衡并進(jìn)行應(yīng)力重分布，重分布下的應(yīng)力導(dǎo)致圍巖發(fā)生沉降、隆起等破壞。提取拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，輸出四次開挖步驟對(duì)應(yīng)沉降位移值與對(duì)應(yīng)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，三臺(tái)階法、CRD法、三臺(tái)階七部開挖對(duì)應(yīng)步驟應(yīng)力云圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 三臺(tái)階開挖法圍巖變形云圖

圖4 CRD開挖法圍巖變形云圖

圖5 三臺(tái)階七部開挖法圍巖變形云圖

2.1 三臺(tái)階法由圖3可知，三臺(tái)階工法下各個(gè)步驟的圍巖最大沉降量分別為67.1mm、117.3mm、167.1mm、167.2mm，圍巖最大隆起量分別為212.7mm、321.5mm、327.2mm、251.8mm。特別的輸出拱頂監(jiān)測(cè)單元沉降值進(jìn)行分析：第一次上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為59mm；第二次上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為96mm，較第一次增長(zhǎng)了62.7%；第三次上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為133mm，較第二次增長(zhǎng)了38.4%；第四次下臺(tái)階開挖拱頂沉降與仰拱隆起值分別為142mm、32.4mm，拱頂沉降較第三次增長(zhǎng)了6.8%。隨著上、中、下三臺(tái)階的開挖，拱頂沉降數(shù)值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

2.2 CRD法由圖4可知，CRD工法下各個(gè)步驟的圍巖最大沉降量分別為100.6mm、192.3mm、198mm、209mm，圍巖最大隆起量分別為171.2mm、159.8mm、246mm、237mm。為更精確分析位移變化情況，輸出拱頂監(jiān)測(cè)單元沉降值進(jìn)行分析：第一次左側(cè)上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為74mm；第二次左側(cè)下臺(tái)階開挖拱頂沉降值為140mm，較第一次增長(zhǎng)了89.2%；第三次右側(cè)上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為161mm，較第二次增長(zhǎng)了15%；第四次右側(cè)下臺(tái)階開挖拱頂沉降值為168mm，拱頂沉降較第三次增長(zhǎng)了4.3%。隨著交叉中隔壁開挖工法的向前推進(jìn)，拱頂沉降數(shù)值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

2.3 三臺(tái)階七部開挖法由圖5可知，三臺(tái)階七部開挖工法下各個(gè)步驟的圍巖最大沉降量分別為56.6mm、108.5mm、154.2mm、157.7mm，圍巖最大隆起量分別為188.5mm、294.8mm、348.3mm、283.8mm。為更精確分析位移變化情況，輸出拱頂監(jiān)測(cè)單元沉降值進(jìn)行分析：第一次左側(cè)上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為45mm；第二次左側(cè)下臺(tái)階開挖拱頂沉降值為80mm，較第一次增長(zhǎng)了77.7%；第三次右側(cè)上臺(tái)階開挖拱頂沉降值為112mm，較第二次增長(zhǎng)了40%；第四次右側(cè)下臺(tái)階開挖拱頂沉降值為119mm，拱頂沉降較第三次增長(zhǎng)了6.3%。隨著交叉中隔壁開挖工法的向前推進(jìn)，拱頂沉降數(shù)值增加幅度越來越緩，拱頂沉降趨于收斂。

三種工法的不同開挖步驟下，由于圍巖最大隆起位置均不相同，且大多數(shù)隆起位置不在隧道拱底，因此此處僅考慮拱頂沉降進(jìn)行分析。提取上述不同開挖步驟的拱頂沉降數(shù)值如表3所示，三臺(tái)階七部開挖法無論是在初始變形、最終收斂變形還是隨著開挖步驟的位移變化幅度均優(yōu)于其他兩種開挖工法。

表3 不同開挖工法下的拱頂沉降變化規(guī)律mm

為了更好地說明各個(gè)開挖工法對(duì)于深部軟弱圍巖拱頂位移穩(wěn)定性的影響，提取距掌子面后方2m對(duì)應(yīng)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移情況作為拱頂沉降位移變化情況進(jìn)行分析，其變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同開挖工法下拱頂沉降隨開挖步變化曲線

由圖6可知，三種開挖工法下拱頂沉降隨開挖步的變化規(guī)律相似，均經(jīng)歷了開挖初步變形階段、變形階段、變形收斂階段3個(gè)階段；在任一個(gè)階段內(nèi)，三臺(tái)階七部工法的變形均最平緩，可認(rèn)為該方法對(duì)此深部地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響最小。

3 結(jié)論

本文基于深部軟弱隧道圍巖，選取CRD法、三臺(tái)階七部開挖法和三臺(tái)階法三種開挖方法，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，分析了不同開挖工法下的位移變化規(guī)律，結(jié)論如下：①由不同開挖步驟下拱頂沉降數(shù)值以及隨開挖步變化曲線可知，三臺(tái)階七部開挖工法在初始變形、最終收斂變形以及變形幅度等方面均最優(yōu)，可認(rèn)為對(duì)此深部地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響最小。②由變形規(guī)律曲線得出，圍巖變形階段可劃分為初步變形階段、變形階段、變形收斂階段3個(gè)階段，對(duì)于不同地質(zhì)條件的深部地下工程開挖，可根據(jù)具體支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)效果選擇具體變形階段進(jìn)行分析，以選用更合理的開挖方法。