软弱砂岩段深埋隧道开挖数值模拟与监测分析

张运良，路 平，王昌胜，李凤翔

(中南大学土木工程学院)

0 引言

软弱岩石是指工程环境中能产生显著塑性变形，具有软弱、松散、破碎、风化、膨胀等物理特性的岩体总称。因其工程性质软弱并常常导致工程地质问题或地质灾害发生，软弱围岩常是隧道工程处理和加固的对象。

对于软弱围岩，隧道开挖后的变形基本可分为弹性变形、塑性变形和流变三个阶段。对于一般软弱围岩，只要加强支护结构，如提高支护结构的刚度，缩短支护时间等即可有效限制围岩变形的进一步发展。而缩短支护时间由于其经济有效性，成为隧道工程施工中普遍采用的方法。

台阶法是新奥法中适用性最广泛的施工方法，它将断面分成上半断面和下半断面两部分分别进行开挖。随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层，因而在隧道工程施工中，台阶法是最重要的方法之一。根据台阶的长度，有长台阶法、短台阶法和超短台阶三种方式。根据工程地质及水文地质条件、围岩类别、隧道埋深、断面尺寸等因素，综合考虑决定台阶法施工的步距。

本文根据炎汝高速公路花子坳隧道的施工为研究背景，对Ⅴ级围岩段所采用的短台阶施工工法进行有限元数值模拟计算，并作了较深入的研究。

1 工程概况

花子坳隧道是炎汝高速公路第10标的主要工程之一，位于湖南省炎陵县境内。隧道左线起讫里程为ZK42+945～ZK43+868，右线起讫里程 YK42+916.5～YK43+860，为上下行双线分离式隧道。YK43+915～YK43+140段为粘土、强风化砂质页岩，岩体极破碎，自稳性差，拱部无支护时易冒顶、掉快，为Ⅴ级围岩。根据围岩情况，该段采用短台阶法进行掘进施工。

2 数值模拟

2.1 计算概况

花子坳隧道衬砌内轮廓采用直径5.5 m的单心圆，初期支护采用24 cm厚的C20喷射混凝土;工字钢采用I18工字钢，工字钢间距为60 cm;锚杆采用D25中空注浆锚杆，环向间距120 cm，纵向间距60 cm;仰拱填充采用C15片石混凝土，二衬作为安全储备暂不考虑。

2.2 模型计算

本文章利用MIDAS GTS有限元分析软件对Ⅴ级围岩深埋段的隧道开挖过程进行模拟，建模时考虑边界效应影响，计算模型沿横截面方向左右各取40 m，约4倍洞径;隧底以下取35 m，上部取值大于Ⅴ级围岩的坍方平均高度，取55 m;纵向取69 m。

为进行台阶法开挖对周边围岩稳定性影响的模拟，建立模型如下:纵向0～6 m和24～30 m为考虑纵向边界效应的“缓冲”区间，6～24 m为进行台阶法施工区间，台阶长度为6 m，循环进尺为1.2 m，初期支护紧跟开挖进行。

对该模型数值模拟计算中，把整个施工过程分成以下步序来加以模拟分析:第一步初始状态step1，第二步上台阶开挖step2，第三步上台阶周边喷锚支护及临时仰拱施作step3;第四步下台阶开挖step4，，第五步下台阶周边喷锚支护step5，第六步拆除临时仰拱step6。

该模型仅仅考虑系统锚杆、钢支撑、喷射混凝土对围岩的支护的作用，超前锚杆和二衬作为安全储备，不予考虑。

计算荷载主要是围岩的自重，按照施工步骤，逐步进行计算，得出开挖扰动后围岩的位移、内力和塑性区等，进而评价施工过程的安全性，并就施工过程提出合理的建议。

根据隧道地勘资料以及《公路隧道设计规范》JTG D70-2004，围岩与支护材料参数如表1所示，计算模型如图1所示。

表1 模型参数

图1 数值模拟模型

2.3 数值模拟结果分析

(1)隧道开挖应力特征分析。

表2 不同施工步序特征点主应力计算结果 kN

图2 特征点主应力随施工过程变化曲线图

从计算值看出，随着施工的进行，各特征点主应力σ1和σ3呈现不同的变化规律:拱顶、拱腰处由于开挖应力的释放，围岩应力水平呈减小趋势并保持较低应力水平;拱脚处随开挖过程逐渐增大并保持较大应力水平，达到2.2 MPa，出现应力集中现象;拱底由于上部围岩压力的解除，随开挖过程随开挖减小并持续较低。在隧道的开挖过程中，围岩处于受压状态。由于隧道深埋且无结构性偏压，左右侧应力基本对称。

施工中应特别注意拱腰与拱脚处锁脚锚杆的施工的及时性和可靠性，并注意加强对该段的监控量测，防止拱腰和拱脚处因围岩压力较大出现过大变形，引起支护开裂和侵限，进而引起围岩松动，影响围岩稳定性和隧道结构的安全性。

(2)隧道开挖变形特征分析。

由计算结果可知，花子坳隧道V级围岩段上台阶施工过程中，隧道拱顶围岩的累积下沉变形量最大为-2.8 mm，两侧边墙围岩向洞内的累积水平收敛位移量最大为-1.09 mm，下台阶开挖施工后，隧道拱顶围岩的累积下沉变形量最大为-4.27 mm，两侧边墙围岩向洞内的累积水平收敛位移量最大为-1.64 mm，临时仰拱拆除后累积下沉变形量最大为-4.80 mm，两侧边墙围岩向洞内的累积水平收敛位移量最大为-1.89 mm，特征点位移随施工过程的变化趋势如图3所示。每一施工步洞周特征点的位移计算结果如表2所示。由计算结果可见，开挖过程中隧道围岩基本稳定。

表3 不同施工步序特征点位移计算结果 mm

施工中对计算断面围岩变形进行了量测，隧道开挖过程中，围岩竖向位移与周边收敛在上台阶开挖后达到最大沉降值的50%左右。由实测数值可见，围岩水平收敛和拱顶下沉较计算结果稍大，但变化规律基本一致。

图3 特征点位移随施工过程变化曲线图

3 监控结果

3.1 监测结果

隧道深埋段施工过程中，对拱顶沉降、围岩压力进行现场测量。本文选取与数值模拟同一断面处的变形、应力数据进行分析，应力、位移变形图如图4、图5。

图4 右线进口深埋段拱顶沉降时程图

图5 右线进口深埋段围岩压力时程图

3.2 监测结果分析

从图4、5可以看出，拱顶沉降和围岩压力在隧道上台阶开挖完成4～6 d后基本趋于稳定;下台阶开挖后，拱顶沉降继续增大，而后趋于稳定，最终沉降值为-13.29 mm，较理论计算值偏大。围岩压力实测值右拱腰达1.082 MPa，左拱腰0.255 MPa，右拱腰较左拱腰大，说明存在一定的构造偏压。后序施工中需加强对此处监测，防止发生衬砌开裂等病害。

4 结论

通过有限元数值模拟花子坳隧道台阶法施工过程中围岩体稳定性、支护结构的变形以及现场监测结果对比分析，在花子坳隧道Ⅴ级围岩深埋段采用短台阶法施工，效果良好，拱顶下沉及围岩变形都在控制范围内。表明此工法适应花子坳隧道的地形地质条件，可作为地质情况相似的其他深埋隧道的施工方案。

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