高含水率黄土隧道开挖方法对变形影响数值模拟研究

方国清

（陕西建工机械施工集团有限公司，陕西 西安 710032）

图1 计算模型

图2 喷射混凝土与锚杆网格划分图

黄土是一种具有特殊性质的土体，力学指标随着土体含水量的变化而变化，在实际施工过程中面临的问题也较为复杂。因此，国内外学者在黄土隧道施工方面做了大量的工作，研究表明理论分析和现场变形监测并举成为保证黄土隧道施工安全性的有效措施，通过对围岩与支护形式的监测，对合理确定初次支护和二次衬砌施工时机提供依据，同时把理论分析和现场监测结合起来制定出切实可行、经济合理的施工方案，为下一步的施工工序提供参考依据，这样不仅保证了施工安全、可靠，同时提高施工速度与质量，还可以节省成本。本文以临县隧道为工程依托，结合MIDAS/GTS数值，模拟和现场监测分析，对黄土隧道施工方法进行研究，得出了一些对该地质条件下隧道施工行之有效的结论。

1 工程概况

山西太佳高速临县隧道左线2223m，右线2226m。隧道进口工程位于凌井小盆地的地表黄土冲刷沟壑浅埋地段中，洞口浅埋Ⅴ级围岩地段设计埋深在13m～38m之间，跨度约为15m，高度约为9m。该段隧道黄土具有压缩性高、强度低、明显湿软等特性。这些特性使其与完全饱和黄土的性质接近，但又有本质的不同。有学者称之为湿黄土、湿软黄土。由于该类黄土具有湿陷性、结构性、湿软性等特点，以上名称皆不能完全反映此类黄土的性质。因此对此类黄土隧道的施工技术方法进行研究具有重要的工程应用价值。

2 计算模型与模拟方案

2.1 模型建立

为全面考虑隧道开挖影响的范围，模型尺寸选取为长×宽×高=105m×10m×62m的黄土隧道。有限元模型地表面不加约束为自由面，模型四周采用法向变形约束条件，而底部则采用全约束条件，这样就与工程实际情况相吻合。有限元计算中土体为摩尔-库仑材料，初支采用C30喷射混凝土，厚度为25cm，锚杆直径25mm，长度3.5m，总数32根。初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的地层构造应力。整个模型共个3638节点，共12186单元。地层采用实体单元，喷混采用板单元，锚杆采用植入式桁架，各模型网格划分详见图1、图2、图5、图6、图 9、图 10。

2.2 材料参数选取

根据勘察报告及课题组对各试验段的补充勘察，选取的材料物理力学参数见表1。

2.3 模拟方案

隧道开挖每循环进尺1m，总共10个循环，岩体按均质考虑。为了研究相同埋深（30m）、不同工况（弧形导坑法，双侧壁导坑法，CD法）开挖支护过程结束后围岩的变形规律。计算提取了地表变形、拱顶沉降、周边收敛等数据，并通过分析对3种方法进行比较，确定最优工序，而观测截面选在开挖第一循环截面。

2.3.1 弧形导坑法施工数值模拟分析

（1） 隧道计算模型

（2） 隧道开挖支护结束后围岩位移场分析

通过模拟分析，围岩竖向位移和横向位移有以下规律：竖向最大竖向位移发生在拱顶，整个变形趋势为漏斗状，拱顶的最大位移为10.80cm，地表沉降6.08cm。横向位移的最大值发生在边墙上，周边收敛的最大值为11.41cm，围岩竖向位移、横向位移如图3、4所示。

图3 围岩竖向变形曲线云图

图4 围岩横向变形曲线云图

图5 计算模型

图6 喷射混凝土与锚杆网格划分图

2.3.2 双侧壁导坑法施工数值模拟分析

（1） 隧道计算模型

（2） 隧道开挖支护结束后围岩位移场分析

通过模拟分析，围岩竖向位移存在以下规律：各导坑上部，下部都出现位移集中现象，拱顶最大位移为5.09cm，地表沉降最大值3.53cm，围岩竖向变形如图7所示。围岩横向变形有以下规律：整个变形不对称，先开挖的左导坑横向变形小，而后开挖的右导坑变形较大，而且右边墙应力集中现象比左边墙严重，周边收敛的最大值为6.71cm，围岩横向变形如图8所示。

2.3.3 CD法施工数值模拟分析

（1） 隧道计算模型

（2） 隧道开挖支护结束后围岩位移场分析

通过模拟分析，围岩竖向变形有以下规律：左导坑、右导坑拱顶与拱底都出现位移集中，后开挖的右导坑，位移集中区域较大，拱顶沉降最大值为8.26cm，地表沉降最大值为4.65cm，围岩竖向变形如图11所示。围岩横向变形在以下规律：整个横向变形不对称，后开挖的右导坑边墙位移集中区域较大，引起地表沉降较大，周边收敛最大值为8.72cm，围岩横向变形如图12所示。

3 模拟结果对比

（1）双侧壁导坑施工法由于开挖的范围小，拱顶下沉最大值为5.09cm，地表沉降最大值为3.53cm，周边收敛最大值为6.71cm；CD法施工开挖范围大，拱顶下沉最大值为8.26cm，周边收敛最大值为8.72cm；弧形导坑法施工开挖面积较大，拱顶下沉最大值为10.80cm，地表下沉最大值为6.08cm，周边收敛的最大值为11.41cm。比较围岩的最大变形位移，双侧壁导坑法施工围岩变形量最小，而弧形导坑法与CD法施工变形较大。

（2）从图3、图7、图11可以看出，双侧壁导坑施工法竖向位移比其它两种施工方法竖向位移位移集中区域小，而且变形大的区域比其它两种方法小。从图4、图8、图12可以看出，双侧壁导坑施工法引起横向位移与竖向位移规律相似，变形大的区域比其它两种方法小。

4 现场监测

4.1 监测方案

根据上面数值分析，确定该隧道采用双侧壁导坑法施工。为了进一步论证数值模拟的可靠性，在隧道施工期间，对周边围岩的变化情况进行监测，包括拱顶下沉以及隧道水平收敛。监测方案如图13所示。

4.2 隧道周边围岩变形分析

图7 围岩竖向变形云图

图8 围岩横向变形云图

图9 计算模型

图10 喷射混凝土与锚杆网格划分图

表1 模型材料物理力学参数

（1）从图14，图15可以看出隧道拱顶下沉量与隧道收敛量随着施工掘进长度先增长而后逐级趋于稳定，但不是绝对的稳定，稳定中还有一定的波动，这是受到黄土本身的特性影响。

（2）隧道水平收敛主要发生在开挖初期，从数值模拟和现场监测数据分析，在选用双侧壁导坑法施工时，应该尽快实施初次支护，以保证隧道的稳定性，并根据监测数据及时调整支护刚度，尽量选用钢格栅或钢拱架等能迅速及时提供隧道支撑。

（3）隧道周边围岩的变形与分部开挖的顺序以及施工扰动有相当大的关系，这样才造成不同部位开挖，围岩变形的突变，根据以上分析得出应在实际施工中及时完成支护并形成整体受力结构。

结语

通过对临县隧道施工方法的系统分析，研究了不同工法条件下隧道围岩变形的相关规律，得出如下结论：

图11 围岩竖向变形云图

图12 围岩横向变形云图

图13 监测点布置图

图14 竖向位移变化曲线图

图15 水平收敛变化曲线图

（1）临县隧道选用双侧壁导坑法施工，及时实施初次支护，很好地保护围岩，稳定隧道的变形。因此，建议类似黄土隧道选用双侧壁导坑法施工。

（2）对比数值模拟与现场监测结果，得出现场监测的数据偏大，说明实际施工中影响围岩变形的因素较多，进一步说明岩土工程的复杂性。

（3）黄土隧道施工中应尽量坚持数值计算分析与现场监测相结合，确定合理的开挖方法，使隧道施工更加安全，更加经济可靠。

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