软弱围岩隧道CD法和台阶法施工力学行为分析

贾晓旭，赵玉成

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄　050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄　050043)



软弱围岩隧道CD法和台阶法施工力学行为分析

贾晓旭1，2，赵玉成1，2

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄050043)

摘要：为分析软弱围岩隧道在不同开挖方法过程中稳定性以及拱顶沉降变化规律，以某隧道工程实例为背景，借助有限差分软件FLAC3D数值模拟并和实际监测数据对比分析，研究软弱围岩隧道在CD法和台阶法两种不同开挖方法施工过程中围岩变形、应力变化和围岩塑性区分布规律。实际监测数据和模拟计算结果均表明，采用CD法开挖断面关键点位移和应力明显小于台阶法，随开挖步影响范围也比台阶法要小。总之CD法较台阶法能更好控制围岩变形和应力发展，塑性区分布范围也明显小于台阶法。

关键词：隧道；软弱围岩； CD法；台阶法；FLAC3D

随着隧道修建技术的进步，隧道的修建向着长、大、深方向发展。长隧道的修建不可避免会穿越软弱围岩，软弱围岩是隧道工程施工中最为常见的不良地质，也是影响隧道围岩稳定性的重要因素[1-6]。通常情况下软弱围岩处于稳定状态，当受到爆破、开挖等外力影响，软弱围岩的稳定性将会被破坏，出现塌方、冒顶等事故[7-9]。因此，软弱围岩隧道稳定性的研究对隧道工程的开挖具有重要意义。目前，国内外对软弱围岩隧道稳定性研究已很多[10-12]，但是比较不同开挖方式对软弱围岩隧道稳定性影响还较少。因此，围绕软弱围岩隧道不同开挖方式围岩稳定性规律的研究具有重要现实意义。

1工程概况

雁口山隧道位于青海省玉树州称多县歇武镇东北方向约10 km处，全长4 032 m。隧址区属冰缘水流构造侵蚀中山地貌，山体平均海拔高度大都在4 000 m以上。地层岩性上覆第四系全新统坡积层、洪积层，下伏中生界上三叠统巴颜克拉山群灰黑色页岩和砂岩互层。地下水主要为第四纪松散岩孔隙水和基岩裂隙水。隧道K748+660处存在F1断层，断层走向NE66°，倾角70°～80°，走滑层，在K748+660与线路小角度相交，破碎带宽近100 m，岩石破碎成碎石状，围岩稳定性较差。

2不同开挖法数值模拟

2.1模型尺寸及参数选取

根据工程实际情况，隧道断面净高为10.5 m，最大跨度处宽度为12.06 m。隧道拱顶距地表29 m，隧道仰拱底部距模型下端取3倍跨度36 m，模型左右两边宽度各取3倍跨度36 m，沿隧道掘进方向取35 m，中间包括5 m断层带。两种开挖方式均取模型尺寸为X×Y×Z=84 m×35 m×75 m，确保两种工法对比的客观性，模型图如图1所示。模型上边界为自由，下边界约束竖向位移，左右边界约束水平向位移。

图1　计算模型

隧道围岩和开挖部分用实体单元模拟，钢拱架采用抗压刚度等效原则，将钢拱架弹性模量折算到初期支护上[13]。初期支护采用壳单元，二次衬砌作为长期安全储备，计算时不予考虑[14]。锚杆加固作用通过提高加固圈黏聚力和摩擦角来模拟[15]。围岩假设为理想弹塑性材料，采用Druck-Prager屈服准则。计算参数如表1所示。

表1　围岩及衬砌力学参数

2.2施工过程数值模拟

运用有限差分软件FLAC3D进行施工过程的模拟，每一计算步模拟一个施工步，每一计算步施工1 m。CD法共有66个计算步，第1步计算初始地应力，第2～6步，CD1开挖面开挖5 m，第7～11步，CD1和CD2同步开挖，CD1 比CD2超前5 m，第12～16步，CD1、CD2和CD3同步开挖，CD2比CD3超前5 m，依次类推，前一开挖面超前后开挖面5 m，最后开挖中隔壁。台阶法共有48个计算步，第1步计算初始地应力，第2～6步，上台阶开挖5 m，第7～11步，上台阶和下台阶同步开挖，下台阶比仰拱超前5 m，依次类推开挖完毕。CD法和台阶法断面见图2、图3。

图2　CD法断面

图3　台阶法断面

2.3计算结果分析2.3.1位移分析

隧道贯通后软弱围岩关键点位移值如表2所示，CD法由于先开挖左侧土体，左侧拱底较右侧上台阶更早释放土压力，所以拱底隆起大于拱顶沉降。台阶法上台阶全部开挖，拱顶土压力一次性释放，仰拱滞后开挖，所以台阶法最大位移值发生在拱顶沉降。CD法相比台阶法拱顶沉降量减少24.4%，拱肩竖向位移减少21.1%，最大跨度处水平收敛减少35.3%，拱脚竖向位移减少10.8%，拱底隆起减少10.5%。CD法相比台阶法对围岩控制效果更好。实际工程中K748+660～K748+710段采用CD法开挖，K748+685断面为CD法开挖监测断面。K748+710～K748+760段采用台阶法开挖，K748+735断面为台阶法开挖监测断面。两断面关键点监测位移如表3所示。实际监测位移也显示CD法各点位移值小于台阶法，佐证了CD法较台阶法对围岩控制效果更好。但实测位移均大于计算位移，主要原因是数值模拟的支护是瞬时起作用的，而实际施工过程中的支护施作要相对滞后一些，并且支护也需要凝结时间才有一定强度，因此实测位移会大于计算位移。

表2　围岩关键点计算位移　mm

CD法开挖过程中拱顶随开挖步累计沉降量如图4所示，12开挖步时CD1开挖面距观测断面5 m，开始影响拱顶沉降。12～32开挖步，拱顶沉降速率稳定，沉降量近似线性增大。32开挖步时CD4开挖面到达观测断面，拱顶沉降速率突然增大，随着CD4开挖面距观测断面距离的增大，沉降速率逐渐减小，沉降量趋于平缓。47开挖步时中隔壁到达观测断面，沉降速率再次增大，最终沉降趋于稳定，最大累计沉降量为12.46 mm。

图4　CD法拱顶累计沉降随开挖步变化曲线

台阶法开挖过程中拱顶随开挖步累计沉降量如图5所示，6开挖步时上台阶开挖面距观测断面11 m，开始影响拱顶沉降。12开挖步时上台阶开挖面距观测断面5 m，拱顶沉降速率突然增大，每一开挖步沉降量增大约1 mm。随着上台阶开挖面离开观测断面的距离逐步增大，拱顶沉降速率逐渐减小。22开挖步时下台阶开挖面到达观测断面，拱顶沉降速率再次增大，随着下台阶开挖面离开观测断面的距离逐步增大，拱顶沉降速率逐渐减小。27开挖步时仰拱开挖面到达观测断面，拱顶沉降速率出现小幅增加，但随着仰拱开挖面离开观测断面的距离逐步增大，拱顶沉降量很快趋于稳定，最大累计沉降量为16.48 mm。

图5　台阶法拱顶累计沉降随开挖步变化曲线

CD法相对于台阶法开挖工作面小，围岩土体卸荷小，所以开挖面对拱顶沉降开始影响的距离：CD法为5 m，台阶法为11 m，CD法对拱顶沉降控制效果更好。CD法各个工作面封闭成环时间短，尽早给围岩提供支护作用，拱顶最终累计沉降量为12.46 mm，小于台阶法的16.48 mm。

2.3.2应力分析

隧道贯通后初期支护关键点最大、最小主应力值如表4所示(拉为正，压为负)。CD法和台阶法拱顶拉应力均比其他关键点拉应力大，拱肩次之，拱脚最大主应力为负值，即拱脚全部承受压应力。CD法和台阶法最大跨度处压应力比其他关键点压应力都大，拱顶压应力仅次于最大跨度处。CD法最小压应力位于拱底，台阶法最小压应力位于拱脚。CD法各关键点拉应力、压应力都小于台阶法。CD法和台阶法各关键点实际监测应力如表5所示，监测应力CD法均小于台阶法，表明实际工程中CD法比台阶法对围岩控制效果更好。

表4　初支关键点计算应力　MPa

表5　初支关键点监测压应力　MPa

CD法拱顶应力随开挖步变化曲线如图6所示。CD法开挖到32步之前时，CD1、CD2和CD3都已经通过观测断面，但拉应力和压应力一直都较稳定，拉应力约为0.03 MPa，压应力保持在0.2 MPa左右。说明左侧土体开挖没有引起拱顶应力。32开挖步时，CD4开挖面到达观测断面，拉、压应力增长速率变大。到37开挖步时，CD4开挖面距观测断面5 m，随着CD4开挖面远离观测断面，压应力增长速率逐渐减小。47开挖步时中隔壁到达观测断面，拉应力不再随开挖面距离增大而增大，拉应力保持稳定，最大拉应力为2 MPa。压应力有微小的突增，47开挖步之后压应力趋于稳定，最大压应力为2.09 MPa。

图6　CD法拱顶应力随开挖步变化曲线

台阶法拱顶应力随开挖步变化曲线如图7所示。台阶法开挖相对CD法对拱顶应力的影响就要早些。10开挖步时上台阶开挖面距观测断面7 m，压应力开始有明显突增。随着开挖步的推进，压应力接近直线增长。到37开挖步时，下台阶开挖面离开观测断面10 m，压应力开始趋于稳定，最大压应力为2.49 MPa。拉应力相比压应力受开挖步影响较晚，20开挖步时中台阶距离观测断面2 m，拉应力开始明显增大。随着中、下台阶开挖面离开观测断面，30开挖步时拉应力逐渐稳定，最大值为2.04 MPa。

图7　台阶法拱顶应力随开挖步变化曲线

CD法拉、压应力受开挖面影响距离都小于台阶法。CD法在30开挖步时拉、压应力才开始明显增大，台阶法压应力在10开挖步时明显增大，拉应力20开挖步时开始增大。CD法最大拉、压应力分别为2 MPa、2.09 MPa，均小于台阶法的2.04 MPa和2.49 MPa。所以CD法相对台阶法能更有效控制拱顶应力。

2.3.3塑性区分布

CD法开挖工作面小，且各工作面封闭成环时间短，各工作面支护有效限制了塑性区发展，塑性区范围大幅减小。围岩1.5 m范围内均为塑性区，由于CD1工作面先开挖产生卸荷作用，拱肩塑性区范围明显偏大。拱脚应力集中范围大，塑性区宽3 m，深6 m。塑性区分布见图8。

图8　CD法塑性区分布

台阶法先开挖上台阶土体产生卸荷作用，拱肩塑性区宽4 m，塑性区深5 m，最深部位达6 m。下台阶滞后开挖，最大跨度处塑性区变小，深3 m。拱脚塑性区宽2～4 m，深6 m。塑性区分布见图9。

图9　台阶法塑性区分布

CD法由于分多个工作面开挖，各工作面开挖面积小，且封闭成环时间短，土体卸荷作用小，支护尽早提供支撑，有效限制了围岩塑性区的发展，塑性区范围明显小于台阶法。

3结论

(1)隧道穿越软弱围岩会对围岩稳定性产生较大影响，不同开挖方式对软弱围岩的变形、初支应力和塑性区范围等影响程度不同。

(2)根据软弱围岩变形和塑性区发展，CD法围岩变形量小于台阶法，两种开挖方法塑性区破坏形式相同，但CD法塑性区大小小于台阶法，CD法对断层的稳定性控制要优于台阶法。

(3)借助有限差分软件FLAC3D对隧道开挖过程进行数值模拟计算。总结了随着隧道开挖，拱顶沉降变化规律、拱顶应力变化规律和塑性区分布规律。对类似软弱围岩隧道利用该分析结果可以预测围岩变形趋势，根据塑性区分布可以在应力集中部位加强支护设计，在保证安全的前提下减少经济成本，灵活运用两种开挖方法，安全快速开挖隧道。同时现场监测仪器无法准确得到未开挖围岩应力位移变化数据，不能和模拟数据得出完整规律，这方面仍有待研究。

参考文献：

[1]赵勇，刘建友，田四明.深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(8)：1664-1669.

[2]邓伯科.雁门关隧道富水段软弱围岩初期支护开裂变形控制技术[J].铁道标准设计，2013(1)：97-100.

[3]张安迪.大断面软岩浅埋偏压隧道施工技术[J].铁道标准设计，2008(5)：102-105.

[4]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].岩体工程学报，2000(6)：696-700.

[5]谭准，向浩东.软岩偏压铁路隧道大变形处治施工技术[J].铁道标准设计，2013(4)：69-72.

[6]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[7]任建喜，张杨洋.斜穿地裂缝黄土地铁隧道施工诱发的地表沉降及隧道变形规律研究[J].铁道标准设计，2015，59(9)：112-117.

[8]李国良，朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术[J].铁道工程学报，2008(3)：54-59.

[9]王伟锋，毕俊丽.软岩浅埋隧道施工工法比选[J].岩土力学，2007(S)，28(10)：430-436.

[10]孙钧，朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学，1994，15(4)：20-33.

[11]黎盼.断层破碎带地段隧道施工力学行为研究[D].西安：长安大学，2013.

[12]孙星亮，侯永会.断层破碎带隧道施工过程的三维数值模拟[J].石家庄铁道学院学报，2006，19(2)：9-12.

[13]左乾坤，李天斌，孟陆波，郑永雄.隧道钢拱架支护结构受力特征的数值模拟分析[J].中外公路，2011，31(4)：196-199.

[14]何川，李永林，林刚.联拱隧道施工全过程三维有限元分析[J].中国铁道科学，2005，26(2)：191-196.

[15]刘学伟.某隧道断层破碎带位移分析[J].中国水运，2014，14(3)：284-285.

收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15

作者简介：贾晓旭(1991—)，男，硕士研究生，E-mail：1527727059@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0121-04

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.028

Analysis of Mechanical Behavior of Tunneling in Weak Surrounding Rock by CD Method and Benching Method

JIA Xiao-xu1，2， ZHAO Yu-cheng1，2

(1.School of Civil Engineering， ShiJiazhuang Railway University， ShiJiazhuang 050043， China；2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control， Shijiazhuang Railway University，Ministry of Education， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract：Aiming at the analysis of the stability and the changing rule of the crown settlement in weak surrounding rock with different tunneling methods， the paper， with reference to a tunnel engineering case，analyzes rock deformation， stress variation and rock plastic zone distribution by means of the numerical simulation of finite difference software FLAC3Dand the comparison with the actual monitoring data during the construction by two different excavation methods-CD method and benching method.The actual monitoring data and simulation results show that the cross-section key point displacement and the stress by CD method are less obviously than those by benching method and the same is true with the affecting range. In a word， CD method can better control rock deformation and stress development compared with benching method and the plastic zone distribution range of CD method is also small.

Key words：Tunnel; Weak surrounding rock; CD method; Benching method; FLAC3D