不同结构面倾角对深埋隧道开挖方法的影响规律研究

高　勇

不同结构面倾角对深埋隧道开挖方法的影响规律研究

高勇

（中铁十九局集团第七工程有限公司，广东 珠海 519020）

某深埋公路隧道地质条件复杂，围岩软硬交替，且具有高地应力特点，施工过程中多处出现挤压掉快、支护结构扭曲等现象，对隧道施工安全造成严重威胁。结合隧道施工过程，利用有限差分软件FLAC3D对隧道围岩稳定性进行数值模拟分析，对比分析不同结构面倾角下全断面法和下导洞超前开挖法模拟计算结果。结果表明：结构面倾角对软弱围岩区位移和塑性区分布特征影响较大，坚硬围岩区影响较小；两种开挖方法下隧道周边位移和塑性区分布特征基本一致，所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供参考。

深埋隧道；软岩大变形；结构面倾角；隧道施工；施工安全

1　概述

随着我国交通建设的迅速发展，在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少，随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。在深埋隧道勘察设计和施工过程中，高地应力的存在是影响隧道稳定的重要因素，主要表现为硬岩岩爆和软岩大变形或塑性破坏。高地应力引起的岩爆、流变、断层软岩挤入大变形等灾害给施工带来的困难也随之出现［1-4］。软岩支护是地下工程中最难解决的工程技术问题之一，以其大变形、高地压、难支护的特点一直受到岩石力学及地下工程界的普遍关注［5］。

由于岩体形成的条件千差万别，结构面的情况复杂多变，研究结构面的方位、密度、组合关系及力学特性，对岩体变形和破坏规律的影响较岩石性质的影响更为重要，因此研究结构面对隧道稳定性的影响尤为重要［6-7］。文献［8］在实验室用立体相似模型研究了在三向荷载作用下（等围压），掘进巷道时结构面具有不同倾角对其围岩稳定性的影响。得出结构面倾角为45°时围岩稳定性较好，随结构面倾角增大围岩稳定性减弱的结论。文献［9］研究了顺层岩石边坡稳定性与岩层倾角的关系，得出了岩层倾角越小，边坡越稳定的结论。文献［10］分析了结构面的方位、几何参数和抗剪强度对公路隧道围岩稳定的影响，探讨了RQD指标运用的问题以及推荐了JRC的定量统计估测方法。

下导洞超前开挖法作为分部开挖法的一种，适用于设计断面较大或围岩软弱破碎严重、稳定性较差的隧道，导坑超前开挖有利于提前探明地质情况，且小断面坑道围岩的相对稳定性显著增强，而在现代隧道施工建设中，根据新奥法“尽可能采用大断面施工”的原则，采用的开挖方式主要为全断面法和台阶开挖法，下导洞超前开挖法应用较少［11］。

在深部软岩工程中，由于涉及到物理非线性、几何非线性和接触边界非线性等力学问题，因此其理论解的求解在数学上遇到非常大的困难，需要借助于有限元、有限差分和离散元等数值方法和软件［12］。本文针对宜巴高速公路某隧道出现的单侧软岩大变形特征，利用有限差分软件FLAC3D研究了隧道两侧围岩岩性不同时，结构面倾角对隧道围岩稳定性的影响，并对采用全断面法和下导洞超前开挖法时围岩稳定性进行对比分析。

2　工程概况

某隧道是宜巴高速公路控制性工程之一，为项目全线最长隧道。隧道采用分幅式，左幅起讫桩号ZK118+963～ZK126+487，总长7 524.0 m，右幅起讫桩号YK118+948～YK126+441总长7 493.0 m。隧道最大埋深约878 m，属特长深埋隧道。

隧道区属构造剥蚀、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，山岭多沿北东向展布，穿越区地形切割较强，山间沟谷发育，沟谷峡窄，剖面多呈“V”字型。根据野外调查及钻探、物探资料，隧道区内上覆盖层为残坡积碎石土，沿山坡分布，局部沟谷处有第四系冲洪积亚粘土、砾卵石层，下伏基岩为侏罗系上统蓬莱组、隧宁组长石石英砂岩夹紫红色泥岩。

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、挤压掉块等现象，且因两侧岩性不同，采用全断面法施工时出现了单侧软岩大变形，围岩沿锚杆层状剥落致使支护扭曲破坏等灾害。针对隧道内出现的上述现象，施工单位决定前方高地应力区采用下导洞超前开挖法进行施工，下导洞超前开挖施工方案如图1所示。

图1　下导洞超前开挖施工方案

3　隧道施工数值模拟

3.1计算模型

采用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件，根据地下结构的计算原理，隧道开挖影响范围为洞径的3～5倍，且根据隧道的实际结构形式及地质条件，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90 m，竖直方向（y轴）取90 m，纵向（z轴）沿隧道轴线方向取60 m。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。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为上覆结构面的平均加权容重，h为上覆结构面总厚度。

3.2力学参数

计算中采用理想弹塑性材料，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。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

因计算模型中岩性不唯一，将计算模型划分为3个区域，参数赋值时分区域进行，定义x1、x2如下，其中θ为结构面倾斜线与x轴负方向所成的夹角：

（1）当0＜x＜x1时，该区域内围岩为Ⅳ级砂岩，物理力学参数如表1所示。

（2）当x1＜x＜x2时，该区域内为岩性变化区，通过FLAC3D中的单元遍历程序对该区域进行赋值，物理力学参数由式（1）～式（5）计算得出：

式中：C为材料的粘聚力；Φ为材料的内摩擦角；K为材料的体积模量；G为材料的剪切模量；D为点到过x1点边界线的距离。

（3）当x2＜x＜90时，该区域内围岩为Ⅲ级泥岩，物理力学参数如表1所示。

图2所示为θ=60°和θ=120°时模型赋值块状示意图。

图2　模型赋值块状示意图

3.3开挖方案

针对无支护时全断面法、下导洞超前开挖法进行数值模拟，分析因隧道开挖引起的隧道围岩的应力、应变、位移情况及其随结构面倾角的变化趋势，判断围岩的稳定性。为模拟实际施工开挖顺序，采用如下开挖方案：全断面法采用15步开挖方案；下导洞超前开挖法采用下导洞先行开挖15步，上圆弧后行开挖15步的开挖方案。数值模拟中，隧道沿着z轴方向以3 m长度为一个循环进行模拟。

4　全断面法与下导洞超前开挖法对比

4.1位移场特征

4.1.1 全断面法

隧道水平收敛和拱顶下沉量测是监控量测的主要内容之一，也是隧道围岩应力状态变化的最直观反应。隧道拱顶竖向位移、拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移计算值如表2所示。

分析表2可知，当不考虑θ=0°和θ=180°两种对称状态时，随着结构面倾角变化，拱顶竖向位移、拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移具有不同的变化趋势：

（1）拱顶竖向位移：随着倾角θ增大，拱顶下沉量逐渐增大。

（2）拱腰水平位移：随着倾角θ增大，左拱腰水平位移先增大后减小，右拱腰水平位移先减小后增大；当θ=90°时，左拱腰水平位移最大，右拱腰水平位移最小。

表2　隧道周边位移计算值 cm

（3）拱肩竖向位移：随着倾角θ增大，左拱肩竖向位移逐渐增大；当θ＜60°时，右拱肩竖向位移基本一致，当θ＞60°时，右拱肩竖向位移随着倾角θ增大而逐渐增大。

（4）拱肩水平位移：随着倾角θ增大，左拱肩水平位移先增大后减小，当θ=120°时，左拱肩水平位移最大；当θ＜90°时，右拱肩水平位移基本一致；当θ＞90°时，右拱肩水平位移随着倾角θ增大而逐渐增大。

左右两侧拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移之比如图3所示。

图3　左右两侧位移比

分析图3可知：随着倾角θ增大，左右两侧拱腰水平位移、拱肩竖向位移和水平位移之比均呈先增大后减小的趋势；当θ=90°时，比值均达到最大值，且比值大小依次为拱腰水平位移（2.24）＞拱肩水平位移（1.99）＞拱肩竖向位移（1.51），说明隧道两侧岩性不同时，对拱腰水平位移影响最大，拱肩水平位移次之，拱肩竖向位移最小，且软弱围岩区隧道周边位移较大。

4.1.2 下导洞超前开挖法

下导洞先行开挖后，隧道围岩应力初次释放，隧道周边产生初次位移，初次位移计算值如表3所示；下导洞基本稳定后施工上圆弧部，此时引起隧道围岩应力的二次释放，隧道围岩稳定后最终位移计算值如表4所示。

由表4可知，采用下导洞超前开挖法施工时，隧道周边最终位移与全断面法施工时基本一致，位移随角度θ的变化趋势亦基本相同；而岩体工程开挖变形具有很强的时空效应，隧道开挖后围岩应力释放不是瞬间完成，而是受开挖面的约束影响，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，而施工过程中出现的大多数发生或隐患的灾害一般与施工进度（卸荷速率）过快相关，采用下导洞超前开挖法施工，隧道围岩应力经过两次释放过程，充分利用了开挖面的约束作用，使岩体卸荷速率减小，可有效控制灾害发生。

表3　初次位移计算值 cm

表4　最终位移计算值 cm

相对最终位移，下导洞开挖引起的初次位移所占比率如图4所示，图中A～F依次代表隧道拱顶竖向位移、左拱腰水平位移、右拱腰水平位移、左拱肩水平位移、竖向位移、右拱肩水平位移和竖向位移。由图4知，下导洞开挖引起的各点初次位移所占比率在0.32～0.46，拱顶竖向位移比率较小，呈下降趋势，说明其受θ影响程度较小；左、右拱腰水平位移比率较大，说明其受影响程度较大，且右拱腰受影响程度比左拱腰略大；左拱肩水平位移、竖向位移和右拱肩水平位移受影响程度基本一致，与之相比，右拱肩竖向位移受影响程度较大。

图4　位移比率散点示意图

4.2塑性区特征

4.2.1 全断面法

围岩塑性区分布如图5所示，隧道开挖后引起的塑性屈服主要为剪切屈服，不考虑θ=0°和θ=180°两种对称状态时，隧道左侧拱肩、拱腰塑性区范围比右侧范围大，当θ=90°时表现最明显；拱底塑性区范围左右基本对称。

随着倾角θ增大，塑性区总范围逐渐增大，拱底塑性区分布左右基本对称，拱腰、拱肩及拱顶塑性区分布不对称，左侧塑性区范围较大，即软弱围岩区塑性区范围较大；倾角θ对拱底塑性区的深度无影响，但对拱底塑性区的宽度有影响，θ逐渐增大，塑性区宽度逐渐减小。

图5　围岩塑性区分布图

4.2.2 下导洞超前开挖法

选取θ=60°、θ=90°、θ=120°时进行塑性区分布特征研究，其塑性区分布如图6所示，左侧为下导洞开挖后塑性区分布，右侧为最终塑性区分布。

由图6可知，下导洞先行开挖后，拱底塑性区深度为4.2 m，宽度与导洞跨度基本相等，拱腰、拱肩、拱顶塑性区范围为1.5～2 m（不考虑待开挖部的塑性区），而待开挖部围岩出现受拉区，两侧受拉区范围约1.8～2.5 m，拱顶、拱肩受拉区范围约0.6～1.2 m，随着倾角θ增大，围岩塑性区面积基本保持不变，说明下导洞开挖时，倾角θ对塑性区分布基本无影响；上圆弧部开挖后，结合图5中3种情况下隧道围岩的最终塑性区分布特征，可知两种开挖方式的最终塑性区面积基本相同。

图6　围岩塑性区分布图

5　结论

（1）结构面倾角对软弱围岩区位移、塑性区的影响较大，坚硬围岩区受其影响较小。因岩性不同引起的左右两侧位移之比，拱腰水平位移受其影响最大，拱肩水平位移次之，拱肩竖向位移最小。

（2）隧道周边位移随倾角θ变化具有不同的变化趋势：拱顶竖向位移逐渐增大；拱肩竖向位移和右拱肩水平位移总体上逐渐增大；左拱腰水平位移和左拱肩水平位移先增大后减小，右拱腰水平位移先减小后增大，θ=90°时左拱腰水平位移达到最大值，而右拱腰水平位移达到最小值，θ=120°时左拱肩水平位移取得最大值。

（3）全断面法和下导洞超前开挖法施工引起的位移和塑性区分布特征基本相同，但下导洞超前开挖施工时可利用岩土工程开挖变形的时空效应，使围岩应力逐步释放，降低卸荷速率，有效控制灾害发生。

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Influence Law of Different Structural Inclination for Excavation Method of Deep-buried Tunnel

Gao Yong
（No. 7 Engineering China Rail Way 19th Bureau Group，Zhuhai 519020， China）

A deep-buried highway tunnel was constructed with complex geological condition which existing an alternation of soft and hard rock and high ground stress. Extrusion， fall-block and twisted phenomena of supporting structure appeared during construction which posed a serious threat to the safety of tunnel construction. In combination with the construction process of the tunnels，by using the finite difference software FLAC3D， the surrounding rock stability was simulated， and the numerical calculation results of full face tunneling method and advanced pilot excavation method with different structural inclinations were compared. The results indicated that structural inclination had significance effect on displacement and plastic area in soft rock while had little effect in hard rock. The distribution of plastic and displacement was similar with different excavation methods. The conclusion could be taken as reference for the design，construction and research of similar tunnels.

deep-buried tunnel； large deformation of soft rock； structural inclination； tunnel constrction； safety in constrction

U445.7

A

1672-9889（2015）06-0054-05

高勇（1979-），男，辽宁辽阳人，工程师，主要从事隧道施工技术与管理工作。

（2015-07-24）