大跨度山岭隧道开挖稳定性分析

冯玉坤

摘 要：大跨度山岭隧道的开挖稳定性是事关公共交通安全建设的一个关键问题。为分析双側壁导坑法施工条件下大跨度山岭隧道的安全稳定性，以四寨2#隧道为工程背景，采用FLAC3D研究了四寨2#隧道围岩在不同开挖分步下应力、变形以及塑性区等的分布特征。研究结果表明：（1）隧道围岩开挖将引起隧道顶底部围岩最大主应力降低，导致其容易发生拉伸破坏；而两侧围岩最大主应力则升高，易发生剪切破坏；（2）两导洞及其上方的围岩开挖对隧道周边围岩变形影响很小，而两导洞之间围岩的开挖则对隧道周边围岩变形影响很大；（3）隧道开挖完成后，隧道两侧围岩塑性区范围相对较小，但隧道拱部和底部则会在隧道对角线方向出现呈“蝴蝶形”分布的塑性区，该塑性区最大深度可达4-5m。

关键词：大跨度；双侧壁导坑法；数值模拟；塑性区

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.118

1 引言

近年来，随着我国交通建设的快速发展，山岭地区修建大跨度隧道的工程实例不断增多[1-3]。这些大跨度隧道一方面由于埋深较浅，其围岩受地表地质构造影响明显，风化程度大，岩性较差，在隧道开挖扰动影响下容易产生较大变形；另一方面由于跨度大，隧道断面开挖持续时间较长，支护结构难以快速封闭成环；因此，其安全稳定性问题显得尤为突出。

目前，大跨度隧道施工常用的开挖方法有台阶法、环形开挖预留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法以及CRD法等[4-6]。为分析双侧壁导坑法施工条件下大跨度山岭隧道的开挖稳定性，本文以四寨2#隧道为背景，通过采用FLAC3D软件对其动态施工过程进行数值模拟分析，研究了隧道围岩应力、变形以及塑性区在不同开挖时段下的分布特征，研究结果可为大跨度山岭隧道的设计施工与稳定性分析提供科学依据。

2 工程概况

四寨2#隧道为新建贵广铁路高风险隧道，位于贵州省从江县境内。隧道区地形复杂，属山岭地貌类型。隧道围岩以强风化剥蚀岩为主，采用双侧壁导坑法进行开挖。

3 大跨度山岭隧道数值模型建立

3.1 数值计算条件

根据实际工程情况，数值模拟分析采用的Ⅳ级围岩力学参数为：密度2700kg/m3；弹性模量24GPa，泊松比0.16，内聚力1.9MPa，内摩擦角为23.5°，初期支护采用锚喷支护，喷射混凝土厚度为250mm，锚杆长度为5m，间距为1m；二次衬砌采用钢筋混凝土支护，厚度为650mm。模拟时，围岩采用实体单元，支护结构采用结构单元。

3.2 数值模拟模型

取Ⅳ围岩段的一个隧道断面进行开挖稳定性数值模拟研究，根据圣维南原理以及隧道内围岩的开挖顺序，建立大跨度山岭隧道数值模拟模型如图1所示。模型宽度和高度分别为92m和55m，总共划分为30720个单元和46449个节点，模型边界条件采用顶部应力边界约束（顶部应力约为2.0MPa），四周以及底部法向约束。隧道内围岩共分8步开挖完成（见图1），第1步开挖左侧导洞围岩①，并进行左导洞周边的初期支护工作；第2步开挖右侧导洞②，同时进行右导洞周边的初期支护；第3步开挖左导洞拱顶上方处的围岩③，进行其周边的初期支护；第4步开挖右导洞拱顶上方处的围岩④及进行其初期支护；第5步开挖两导洞之间隧道上断面左侧位置的围岩⑤，进行隧道顶部左侧的初期支护工作；第6步开挖两导洞之间隧道上断面右侧位置的围岩⑥，进行隧道顶部右侧初期支护工作；第7步开挖两导洞之间隧道中断面围岩⑦；第8步开挖隧道底部围岩⑧。当隧道内围岩开挖完成后，进行第9步工作：拆除隧道内所有初期临时支护，进行隧道防水以及二次衬砌整体浇筑。另外，为分析隧道周边围岩的变形状况，在模型隧道顶部以及右侧分别布置了测线A和测线B。

4 大跨度山岭隧道开挖稳定性分析

4.1 隧道围岩应力分析

图2给出了不同开挖分步下隧道周边岩体的最大主应力分步云图，由图可知，不同开挖分步下，隧道围岩的开挖都将导致隧道顶底部围岩的最大主应力降低，而两侧围岩最大主应力升高，且降低或升高的幅度是越靠近隧道表面越大；当隧道开挖完成后，隧道顶底部表面围岩最大主应力约为1MPa，两侧墙底表面围岩最大主应力则达到8MPa。这意味着，隧道顶底部围岩将有可能在开挖过程中发生拉伸破坏，导致初支和二衬承受较大的拉力和弯矩；而隧道两侧墙底部围岩则承受较大的压力和剪切力，容易剪切破坏。因此，为保证隧道安全稳定，需在隧道开挖过程中加强对隧道拱顶、拱底以及两侧墙底部的支护，如加密锚杆或增加支护结构厚度。

4.2 隧道围岩位移分析

图3为两测线围岩在不同开挖分步下的位移变化曲线。可以看出，隧道分步开挖将导致测线上的围岩位移在空间上呈指数衰减式分布，即，随着距隧道表面距离的增大，隧道围岩位移将逐渐减小且减小的速率逐渐降低。由各分步开挖引起的变形量上看，两导洞及其上方的围岩开挖对隧道周边围岩变形影响很小；而两导洞之间围岩的开挖则对隧道周边围岩变形影响很大，尤其是第6步至第8步的开挖，其中，第6步围岩开挖使隧道顶部和两侧围岩向隧道内各发生了4.7mm和0.6mm的位移，第7步是5.3mm和0.8mm，第8步则是3.0mm和0.3mm。由围岩总的变形量大小上看，隧道开挖引起的围岩竖向位移量16.5mm要远大于横向位移2.5mm。因此，在隧道开挖过程中，围岩变形稳定控制要以竖向位移控制为主，同时在开挖时间段上重视第6步至第8步的开挖影响，在必要的情况下，架设多道临时竖向支撑或增大支护刚度以减少隧道上方的围岩变形。

4.3 隧道围岩塑性屈服分析

图4给出了几个开挖分步下隧道周边围岩的塑性区分布图。由图可知，两侧导洞的开挖将引起导洞周边约0.5m-1.5m范围内的围岩发生塑性屈服，此时，围岩塑性区面积在导洞下方分布最大。随着两导洞之间隧道上方岩体的开挖，两导洞之间的围岩全部发生塑性屈服，同时隧道上方拱顶以及两侧约45°方向开始出现约1.5m宽的塑性塑性区，隧道两侧以及底部围岩塑性区扩展变化则相对不明显。当隧道内围岩全部开挖完成后，隧道两侧围岩塑性区扩展不明显，但隧道拱部和底部则会在隧道对角线方向出现呈“蝴蝶形”分布的塑性区，该塑性区最大深度可达4-5m。从控制围岩稳定方面考虑，最好对“蝴蝶形”塑性区内的围岩进行注浆加固，同时增加此部位的锚杆数量或长度。

4.4 支护结构内力分析

当二次衬砌浇筑完成后，二次衬砌所受到的弯矩和轴力如图5所示。从图中可以看出，二次衬砌最大正弯矩出现在隧道顶部两侧约45°的位置，其值约为33.4kN.m；最大负弯矩出现在隧道两侧墙底与仰拱交接的位置，其值约为28.4kN.m。二次衬砌最大轴力为压力，出现在两侧墙中间位置，约为213.0 kN；最小轴力为拉力，出现在隧道仰拱中心位置，其值约为65.1kN。从支护结构承载能力上看，二次衬砌完全能够承受住周边围岩的变形和松动压力，因此，设计是较为安全的。

5 结论

（1）隧道围岩开挖将引起隧道顶底部围岩最大主应力降低，导致其容易发生拉伸破坏；而两侧围岩最大主应力则升高，易发生剪切破坏。

（2）两导洞及其上方的围岩开挖对隧道周边围岩变形影响很小；而两导洞之间围岩的开挖则对隧道周边围岩变形影响很大，需重视此阶段的隧道施工。

（3）隧道开挖完成后，隧道两侧围岩塑性区范围相对较小，但隧道拱部和底部则会在隧道对角线方向出现呈“蝴蝶形”分布的塑性区，该塑性区最大深度可达4-5m。

（4）二次衬砌最大正弯矩和负弯矩分别出现在隧道顶部两侧约45°以及两侧墙底与仰拱交接的位置；二次衬砌最大和最小轴力则分别出现在两侧墙中间以及仰拱中心位置。

参考文献：

[1]任国雷，蒋中贵，黄木坤.大跨度隧道侧壁导坑法施工过程数值模拟[J].西部探矿工程，2005（03）：110-111.

[2]汪立新.大跨度隧道单—双侧壁导坑法施工力学分析[J].西部探矿工程，2007（10）：170-173.

[3]赵东平，王明年.大跨度隧道施工方法数值模拟研究[J].地下空间与工程学报，2005，1（06）：844-847.