不同工法下层状软岩小净距隧道围岩稳定性研究

袁健郑伟赵兴亚

(1.华东交通大学，江西南昌 330013; 2.中铁二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

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不同工法下层状软岩小净距隧道围岩稳定性研究

袁健1郑伟1赵兴亚2

(1.华东交通大学，江西南昌 330013; 2.中铁二局第四工程有限公司，四川成都 610306)

以湖北某高速公路修建的层状软岩小净距隧道为工程背景，利用FLAC3D软件对层状软岩小净距隧道围岩稳定性进行了数值分析，主要考虑Ⅳ级围岩、中岩墙厚度一定时，不同开挖方法对围岩稳定性的影响，并探讨了层状软岩小净距隧道开挖稳定机制，分析了倾斜状层状软岩小净距隧道开挖后应力场分布特征，研究结果可为类似工程施工提供参考。

层状软岩，小净距隧道，稳定性分析，应力场

软弱围岩是指具有强度低、风化严重、节理破碎、岩石流变作用明显等特征的岩层的统称。相关学者在软岩小净距隧道方面已做了不少探索和研究，相关的理论已很丰富。目前针对软岩小净距隧道的研究，有的是针对小净距隧道的力学特性，有的是针对软岩隧道的支护手段，有的是关注开挖工法的模拟，把软岩和小净距结合并考虑上覆岩层因素对隧道围岩及复合衬砌力学效应的影响的研究较少，尤其是不同开挖方式对隧道围岩的变形、应力状态、锚杆轴力及复合衬砌力学效应影响的研究更少。

本文以湖北某高速公路修建的层状软岩小净距隧道某一隧段为研究对象，针对Ⅳ级围岩条件下，中岩墙厚度一定时，对比CD法、CRD法、上下台阶法三种开挖方法，利用有限差分软件FLAC3D对层状软岩小净距隧道进行开挖模拟，并对结果进行处理。

1)通过数值模拟，得到三种开挖方法下，中岩墙厚度一定时，围岩的最大主应力、最小主应力、拱顶最大位移、洞周位移及塑性区分布，比较三种开挖结果，寻找最优化的开挖方法。2)根据数值模拟结果，探讨层状软岩小净距隧道开挖稳定机制，并分析倾斜状层状软岩小净距隧道开挖后的应力场分布特征。

1 工程背景及概况

1.1 工程背景

该隧道为上、下行分离的四车道高速公路互通匝道小净距隧道，隧道洞轴线走向方位角289°。隧道左洞起讫里程桩号为BZK0+687～BZK1+165，长478 m，最大埋深48 m;隧道右洞起讫里程桩号为BYK0+680～BYK1+150，长470 m，最大埋深51 m，隧道净空10.5 m×5.0 m。

1.2 工程地质概况

隧道BZK0+710～BZK0+760段为研究对象，隧道表面为粉质粘土，以泥质灰岩、页岩为主，局部为泥岩，多为软岩或极软岩，岩性为泥质灰岩、页岩互层，灰岩夹页岩、页岩夹灰岩，局部泥岩、泥灰岩、泥岩夹页岩等组合形式交替出现，厚度一般为2 m～5 m，局部厚十几米，其间的薄层泥灰岩或页岩，施工揭露显示大部分已泥化。岩体结构破碎，结构面发育。

2 建立模型

2.1 模型简化

取建模时为计算方便，将岩层适当简化合并为若干层。考虑隧道开挖半径对围岩的影响，在宽度方向左右各取3倍洞径以上，即分别在两洞边缘向外延伸50m，约束横向位移，加上隧道本身跨度及中岩墙厚度，则宽度方向计算范围取为150 m，底部边界取隧道高度的3倍，以40 m计，约束竖向位移，上部边界取至地表，上部边界为自由边界。模型尺寸约为150 m×30 m×90 m。

计算模型取隧道轴线方向为Y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，竖直方向为Z轴。

2.2 边界条件

模型所在区域地应力仅以岩层自重考虑，计算模型的位移边界和应力边界为:左右边界(X=-75，X=75)及底部边界(Z=-90)位移为零，速度为零，顶部边界(Z=0)为自由边界，前后边界(Y=0，Y =30)约束水平位移和速度。

2.3 岩体力学参数

隧道所处围岩主要为页岩和泥质灰岩，数值计算中围岩物理力学性质指标由工程地质勘察报告提供，并对照公路隧道设计规范提供的各级围岩物理力学指标标准值取值。

2.4 支护材料参数的确定

根据隧道施工设计图纸，隧道采用复合式衬砌，围岩力学模型采用FLAC3D中非线性Mohr-Coulomb弹塑性模型，初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟。隧道开挖后根据施工实际情况，立即进行喷锚支护，数值计算中考虑锚杆与喷射混凝土的力学作用，没有考虑二次衬砌的支护作用。围岩采用实体单元模拟(四边形节点网格)。

3 结果分析

模拟隧道开挖时，分别模拟CD法、CRD法、三台阶法开挖方法施工，开挖顺序与实际工法相同，具体根据实际情况先开挖右洞，待围岩基本稳定后再开挖左洞。每次掘进3 m。计算采用摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)弹塑性材料模型。根据不同围岩对应的不同开挖方式，以及对应的支护参数不同进行数值模拟。

3.1 左右洞室位移分析

三台阶法开挖拱顶竖向位移较CD和CRD法小约20%，但是拱底隆起相较于其他两种方法明显较大，且拱腰和拱脚处的位移也较大，比较可知，采用三台阶法进行开挖时，应加强拱腰、拱脚和拱底处的支护，而采用CD和CRD法开挖时，着重注意的位置是拱顶处。

3.2 围岩塑性区分析

因软弱围岩岩体较为破碎，强度低，三种工法均有较大剪切塑性区，且塑性区基本已贯通中岩墙区域，其余塑性区主要集中在拱腰和拱脚位置处。CD法和CRD法塑性区分布近似一致，三台阶法塑性区区域相对较大。这说明CD法和CRD法的支护效果要优于三台阶法。针对软岩隧道，施工过程中若采用此工法施工应当加强支护，尤其对中岩墙的支护，以提高隧道围岩的稳定性，提高隧道结构的安全性。

3.3 围岩应力分析

由结果可知:同种工法左右洞相比较，拱顶最大压应力、拱腰最大压应力均比较接近，其中CRD法和CD法中，左右洞拱腰最大压应力均是拱顶最大压应力的2倍左右，三台阶法中，左右洞拱腰最大压应力均是拱顶最大压应力的30倍左右，这说明三种工法下，拱腰部位均是受挤压力最严重的部位，在施工过程中要切实加强拱腰部位的支护，必要时加强支护。

4 结语

通过对三种工法下塑性区、围岩变形及围岩应力等方面的分析可知，在塑性区区域分布方面，CD法和CRD法比较相似，三台阶法开挖围岩塑性区范围最大;在围岩变形方面，CD法略优于CRD法，三台阶法最差;在应力分析方面，CRD法和CD法拱顶最大压应力、拱腰最大压应力均比较接近，中岩墙最大压应力CD法略小，最大主应力值CD法效果最好。

鉴于本文选取研究隧段围岩埋深并不大，上覆层状软岩倾斜角度均较小，且上覆岩层层状较多，岩体破碎，建模分析中适当做了简化处理，导致数值分析结果未能充分体现倾斜层状软岩对围岩稳定性的影响，但数值分析结果仍然可对相似类型隧道提供借鉴。因此，针对本文中所研究层状软岩小净距隧道建议采用CD法或CRD法进行开挖。

［1］ JTG D70—2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］ JTJ 042—2004，公路隧道施工规范［S］.

［3］ 孙书伟，林 杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［4］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

Study on interbedded soft rock sm all-interval tunnel surrounding rock stability under various construction methods

Yuan Jian1Zheng W ei1Zhao Xingya2

(1．Huadong University of Traffic，Nanchang 330013，China; 2．China Railway 2nd Bureau 4th Engineering Co．，Ltd，Chengdu 610306，China)

Taking the interbedded soft rock small-interval tunnel engineering of the highway in Hubei as the engineering background，the paper carries outnumerical analysis of interbedded soft rock small-interval tunnel surrounding rock stability by applying FLAC3D software，considers the impact of various excavation methods upon surrounding rock stability with certainⅣ-level surrounding rock and middle-rock wall thickness，and explores the excavation stability mechanism of interbedded soft rock small-interval tunnel，and finally analyzes excavated stress field distribution features of inclined interbedded soft rock small-interval tunnel，which has provided some guidance for similar engineering construction.

interbedded soft rock，small-interval tunnel，stability analysis，stress field

U452.12

A

1009-6825(2015)29-0168-02

2015-08-08

袁 健(1989-)，男，在读硕士