高地应力条件下深埋隧道开挖方式数值优选及工程应用

杨彦亮，李锡波，毛洪录

(1.聊城市公路工程总公司第三工程处，山东聊城 252000;2.山东省交通规划设计院，山东济南 250031;3.山东大学土建与水利学院，山东济南 250061)

0 引言

随着我国交通事业的迅猛发展和国家西部大开发战略的持续推进，复杂地形、地质条件下的深挖高填工程日趋增多，尤其是长大、深埋的隧道工程。深埋隧道中因高地应力的存在，易引起岩爆、流变、断层软岩挤入大变形等典型灾害，为工程勘测、设计及施工带来了严峻的挑战［1］，因此亟需对高地应力条件下隧道的施工响应进行模拟、分析。因其显著的物理非线性、结构非线性和接触边界非线性等几何和力学特征，传统数学手段遇到非常大的困难，因此现阶段主要采用数值分析和模型试验等手段对其进行研究。赵旭峰等［1］使用ANSYS软件对深埋软岩隧洞施工力学形态和变形时空效应进行了三维非线性黏弹性数值模拟分析，并基于与现场实测数据的对比分析得到了一些定性的认识。张志强等［2］和陶波等［3］使用FLAC对高地应力条件下软弱围岩隧道的变形规律进行了数值模拟分析。朱维申等［4］对高地应力条件下地下洞室开挖过程中的力学及变形规律进行了模型试验和数值模拟分析。刘招伟等［5］针对乌鞘岭隧道高地应力段出现的初期支护大变形问题，通过模型试验对不同支护条件下的隧道变形和支护结构内力进行了监测、分析。

关于不同开挖方法对隧洞施工过程力学和变形响应的研究分析，现阶段以数值手段为主。段慧玲等［6］对不同围岩等级条件下大跨度隧道施工方法进行了经验和数值比选，并给出了相应合理的开挖方法。汤劲松等［7］结合实际工程，对破碎围岩下大跨扁平隧道的开挖和支护方式进行了数值和理论分析。然而，现有成果对下导洞超前开挖法的相关研究和经验介绍较少，特别是对高地应力条件下隧道开挖方法如何选取、不同开挖方式的影响规律和适应条件的研究更为少见。

某隧道由于埋深较大，具有显著的高地应力特征，原设计中深埋段采用全断面法，但施工过程中多次出现围岩剥落掉块、支护结构扭曲破坏等现象，因此拟改进开挖方式。由于隧道围岩岩性为砂岩，不适宜采用分部过多的CD法、CRD法及预留核心土环形导坑等开挖方法，经初步比选拟采用下导洞超前开挖法或上下台阶法，为论证拟采取方案的可行性，本文利用有限差分软件FLAC3D针对高地应力条件，对不同开挖方式的隧道断面位移场、塑性区及应力场的分布特征进行数值模拟和对比分析，并据此推荐了最优施工方法。

1 工程概况

隧道采用分幅式，全长约7 500 m，隧道最大埋深约678 m，属特长深埋隧道。隧道属构造剥蚀、侵蚀中低山深切沟谷地貌区，地形切割较深，沟谷斜坡地貌发育，峰顶呈浑圆状，丘脊宽缓，山岭穿越区地形切割较强，山间沟谷发育，沟谷峡窄。施工过程中开挖揭露围岩发育有褶皱等小型构造，围岩软硬交替，且具有高地应力特点，施工中多处出现偏帮、挤压掉快，围岩沿锚杆层状剥落致使支护扭曲破坏等现象，如图1所示。

图1 现场支护结构扭曲及挤压掉块Fig.1 Phenomena of support structure distortion and localized rock fall

2 隧道施工数值模拟

本文选取三维快速拉格朗日有限差分软件FLAC3D进行数值模拟计算，其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。针对所研究内容，根据工程地质、构造特点，并结合类似数值计算经验［8－11］选取并确定了数值计算模型。

2.1 计算模型

根据圣维南原理和相关经验、结论可知隧道开挖影响范围为洞径的3～5倍，对数值模型进行了适当的模型简化。模型计算范围:水平方向x轴长度取120 m，竖直方向y轴取120 m，纵向z轴沿隧道轴线方向取90 m。

模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，模型上部施加边界应力，其等效地应力由σz=γh确定(γ为上覆岩层的平均加权容重;h为上覆岩层总厚度［11］，计算取 γ =24 kN/m3，h=620 m，得 σz=14.88 MPa)，水平应力结合隧道地质资料及相关应力数据资料按垂直地应力的1.2倍取值，计算模型如图2所示。

图2 隧道计算模型Fig.2 Computation model of tunnel

2.2 力学参数及边界条件

计算中屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，并考虑岩体的受拉屈服、弹塑性变形及大变形。围岩材料模型采用 Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，开挖采用FLAC3D中的Null模型，复合式支护中的初期支护采用FLAC3D中的Shell结构单元。

初期支护采用10 cm厚的C20喷射混凝土，φ8钢筋网片。对于支护中采用的锚杆(φ22砂浆锚杆，长3 m，梅花型布置，间距1.2 m)，计算过程中根据作用等效原则来考虑，即提高围岩的黏聚力和摩擦角来替代锚杆的作用，由于摩擦角改变较小，不予考虑，锚固围岩体的黏聚力

式中:C0为未加锚杆时围岩的黏聚力;C为加锚杆时围岩的黏聚力;τ为锚杆最大抗剪应力;Sm为锚杆的面积;a，b分别为锚杆的纵、横向间距;η为经验系数，可取2～5。

钢拱架的作用可采用等效的方法来考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土［13］，按式(2)进行折算。

式中:E为折算后混凝土弹性模量;E0为原混凝土弹性模量;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为混凝土截面积。

根据该隧道工程地质、水文地质及相关地质勘测资料，围岩物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.3 开挖方案

为模拟实际施工开挖顺序，沿z轴方向以3 m长度为一个开挖循环进行模拟;采用如下开挖方案:分15步开挖，共开挖45 m(自Z=0开挖至Z=45)，下导洞超前开挖法先行开挖下导洞，而后开挖上弧部，台阶法先行开挖上台阶，而后开挖下台阶。以Z=18断面的位移场、塑性区、应力场为研究对象，分析判断围岩的稳定性。

3 数值模拟结果分析

3.1 位移场分析

隧道水平收敛和拱顶下沉量测是监控量测的主要内容，也是隧道围岩应力状态变化的最直观反映［14］。表2为采用不同开挖方式时隧道周边位移的计算值，采用下导洞超前开挖法施工时，隧道拱顶下沉、水平收敛和拱肩位移(此处拱肩位移指上部4/5隧道内断面高度处测点在xy平面内的合位移)最大，采用全断面法时，拱顶下沉最小，采用台阶法时，水平收敛和拱肩位移最小。

表2 隧道周边位移计算值Table 2 Calculated displacement of surrounding rock mm

岩体工程开挖变形具有很强的时空效应，隧道开挖后受开挖面的约束影响，围岩应力逐步释放，直到开挖面空间约束效应完全消失，围岩应力才得以全部释放［1，15－16］，因此采用不同的施工方式，隧道围岩应力释放过程不同，从而使岩体卸荷速率不同。现以水平收敛值为研究对象，分析开挖方式对卸荷速率的影响。水平收敛值随隧道开挖的变化曲线如图3所示。

图3 水平收敛值变化曲线Fig.3 Variation curves of horizontal convergence

分析图3可知:水平收敛值增大主要发生在开挖Z=12～27时，单步开挖使水平收敛值产生最大增幅的是第7开挖步，即自Z=18～21。由全断面开挖法、下导洞超前开挖法和上下台阶法计算得:水平收敛变形速率最大值依次为:5.61，4.06，4.07 mm/d，但下导洞超前开挖法和上下台阶法因断面错次开挖，其同一断面的水平收敛速率可显著减小。由此可见，采用下导洞超前开挖法和台阶法施工时，可充分利用开挖面的约束作用，降低隧道周边位移变形速率，保证隧道施工安全。

3.2 塑性区分析

分别采用全断面法、下导洞超前开挖法、台阶法开挖时，塑性区分布如图4(a)、(b)、(c)所示。分析图4可知:采用下导洞超前开挖时，隧道施工造成围岩的多次应力扰动，产生的塑性区范围最大，拱腰及其上部塑性区范围约2.7 m，拱脚处塑性区范围约1.8 m，拱底塑性区范围最大，约3.6 m，且拱底0.9 m范围内曾发生拉伸破坏(下导洞开挖时发生)，不利于隧道围岩的稳定，施工中应尽量避免;采用全断面法和台阶法时产生的塑性区大小基本一致，但塑性区集中区域不同，采用全断面法开挖时，塑性区主要集中在拱顶和拱底，塑性区范围约2.7 m，采用台阶法开挖时，塑性区主要集中在拱底，塑性区范围约3.6 m。因此，从塑性区范围及破坏机制2方面考虑，隧道施工时应优先采用台阶法。

图4 围岩塑性区分布图Fig.4 Plasticized zone of surrounding rock

3.3 应力场分析

分别采用全断面开挖法、下导洞超前开挖法和台阶法开挖时，第一主应力分布如图4(a)、(b)、(c)所示。分析图4可知:采用全断面法开挖时，应力集中主要发生在拱顶和拱底，而采用下导洞超前开挖法和台阶法开挖时，应力集中主要发生在隧道左右两侧拱腰处;分别采用上述3种方法开挖时，隧道周边围岩第一主应力的最大值依次为 30.007，26.805，27.128 MPa，且高应力分布范围依次为全断面法＞下导洞超前开挖法＞台阶法，如表3所示。

表3 第一主应力(SIG1)高应力区分布范围Table 3 High stress area of first principal stress m

4 工程应用

根据计算分析结果，结合工程特点，最终选用上下台阶法进行隧道开挖，并现场选取YK112+750断面对隧道开挖断面的围岩压力、喷射混凝土的应力、支架的应力、位移以及水平收敛值和拱顶沉降进行了监测，测点布设如图5所示，初期支护监测结果如图6所示。

图5 测点布设图(单位:m)Fig.5 Layout of monitoring points(m)

图6 初始支护压力、应力分布图Fig.6 Distribution of primary support pressure and stress

监测周期为60 d，在监测期间内隧道最终水平收敛值为25.02 mm，最大收敛速率为4.26 mm/d;拱顶最终下沉量为15.68 mm，最大下沉速率为5.20 mm/d;监测后期收敛速率小于0.2 mm/d，下沉速率小于0.1 mm/d，收敛时间曲线和拱顶下沉时间曲线均有明显收敛趋势。实测拱顶下沉量达计算值的93.6%，实测水平收敛值达计算值的90.0%，满足规范稳定要求。

5 结论与建议

针对工程实际特点，应用有限差分法对高地应力条件下深埋隧道开挖时的力学和变形响应特性进行了模拟分析，模拟结果与工程监测数据吻合度较高。根据所建立数值模型，对不同开挖方式进行对比分析可知:综合考虑隧道周边位移值、水平收敛变化曲线、塑性区分布及高应力区分布等关键控制因素，上下台阶法较全断面法和下导洞超前开挖法具有明显的优势，更适合于该类工程，且工程应用效果较好;同时，在处理好下导洞施工时拱底小范围内出现的拉伸破坏的前提下，下导洞超前开挖法具有一定的可行性，但仍需进一步验证。

［1］ 赵旭峰，王春苗，孔祥利.深部软岩隧道施工性态时空效应分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(2):404－409.(ZHAO Xufeng，WANG Chunmiao，KONG Xiangli.Analysis of time-space effects of construction behavior of deep soft rock tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(2):404－409.(in Chinese))

［2］ 张志强，关宝树.软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究［J］.岩土工程学报，2000，22(6):696－700.(ZHANG Zhiqiang，GUAN Baoshu.Research on the deformation rule of weak rock mass tunnel under high initial geostress［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(6):696－700.(in Chinese))

［3］ 陶波，伍法权，郭啟良，等.高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(9):1828－1834.(TAO Bo，WU Faquan，GUO Qiliang，et al.Research on rheology rule of deep-buried long Wuqiaoling tunnel under high crustal stress by monitoring and numerical analysis［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(9):1828－1834.(in Chinese))

［4］ 朱维申，李勇，张磊，等.高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(7):1308 － 1314.(ZHU Weishen，LI Yong，ZHANG Lei，et al.Geomechanical model test on stability of cavern group under high seostress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(7):1308 －1314.(in Chinese))

［5］ 刘招伟，王明胜，方俊波.高地应力大变形隧道支护系统的试验研究［J］.土木工程学报，2010，43(5):111－116.(LIU Zhaowei，WANG Mingsheng，FANG Junbo.Insitu study of reinforcement systems for tunnels under high geo-stress and large deformation［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(5):111 －116.(in Chinese))

［6］ 段慧玲，张林.大跨度公路隧道合理开挖方法对比研究［J］.土木工程学报，2009，42(9):114－119.(DUAN Huiling， ZHANG Lin. Comparative study ofrational excavation methods for large-span highway tunnels［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(9):114 － 119.(in Chinese))

［7］ 汤劲松，刘松玉，童立元，等.破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究［J］.岩土力学，2007，28(S):469－ 473.(TANG Jinsong，LIU Songyu，TONG Liyuan，et al.Comparative study on tunneling scheme of shallow overburden and large-span highway tunnel in cracked rock mass［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(S):469 －473.(in Chinese))

［8］ 佘键，何川.软弱围岩段隧道施工过程中围岩位移的三维弹塑性数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(3):623 － 629.(SHE Jian，HE Chuan.3D elastoplastic numerical simulation of surrounding rock displacement in soft surrounding rock section during construction process［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(3):623－629.(in Chinese))

［9］ 邵祥泽，潘志存，张培森.高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟［J］.采矿与安全工程学报，2006，23(2):245－248.(SHAO Xiangze，PAN Zhicun，ZHANG Peisen.Numerical simulation of creep for surrounding rock under high stress［J］.Journal of Mining＆ Safety Engineering，2006，23(2):245－248.(in Chinese))

［10］ 谭代明，漆泰岳，莫阳春.侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(S2):3497 － 3503.(TAN Daiming，QI Taiyue，MO Yangchun.Numerical analysis and research on surrounding rock stability of lateral karst cave tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S2):3497－3503.(in Chinese))

［11］ 吴波，刘维宁，高波，等.地铁分岔隧道施工性态的三维数值模拟与分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(18):3081 －3086.(WU Bo，LIU Weining，GAO Bo，et al.3D simulation and analysis on construction behavior of forked metro tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(18):3081－3086.(in Chinese))

［12］ 朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用［M］.北京:科学出版社，2002.

［13］ 蒋树屏，李建军.公路隧道前置式洞口工法的三维数值分析［J］.岩土工程学报，2007，29(4):484－489.(JIANG Shuping，LI Jianjun.3D simulation and analysis of highway tunnels by use of advanced entrance construction method［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(4):484－489.(in Chinese))

［14］ 金丰年，王波，蒋美荣.双连拱隧道穿越破碎山体围岩稳定性数值分析［J］.岩土力学，2008，28(S):227－231.(JIN Fengnian，WANG Bo，JIANG Meirong.Numerical analysis of stability of wall-rock of double-arch tunnel through fractured mountain body［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，28(S):227－231.(in Chinese))

［15］ 黄润秋，黄达.高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(1):21－33.(HUANG Runqiu，HUANG Da.Experimental research on affection laws of unloading rates on mechanical properties of Jinping marble under high geostress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(1):21－33.(in Chinese))

［16］ 黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(8):1525－1544.(HUANG Runqiu.Geodynamical process and stability control of high rock slope development［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(8):1525－1544.(in Chinese))