Ⅳ级围岩大进尺下全断面开挖可行性研究

颜杜民，何　平，高红杰，王　东（.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　00044；.中铁十二局集团 第三工程有限公司，山西 太原　03004）

Ⅳ级围岩大进尺下全断面开挖可行性研究

颜杜民1，2，何平1，高红杰1，王东2
（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044；2.中铁十二局集团 第三工程有限公司，山西 太原030024）

以吉林—图门—珲春客运专线水南隧道为研究背景，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对Ⅳ级围岩大进尺下全段面开挖的可行性进行了探讨。研究结果表明：同为4 m进尺，2种开挖方法引起的拱顶沉降差异不大，全断面法引起的隧道水平收敛较两台阶法小；施工监测数据和计算分析结果基本一致。4 m进尺全断面开挖隧道总体变形不大，最大沉降变形为5 mm，水平收敛为2.4～6.5 mm，围岩较稳定，表明Ⅳ级围岩大进尺下全断面开挖具有可行性。

Ⅳ级围岩；数值模拟；现场监测；全断面开挖；可行性

根据隧道所处地层的工程地质条件来初步确定相应的施工技术方案，是隧道工程的一个基本模式，业内也形成了相对成熟的围岩级别-施工方法对应体系［1-4］。但由于Ⅳ级围岩涉及的岩体特征跨度较大，既包括软质岩也包括硬质岩，因此，针对Ⅳ围岩下隧道开挖过程中选择何种施工工法存在着一定的争议。

孙钧等［5］用三维边界元法分析了上下台阶开挖、全断面开挖时的洞身位移释放系数与开挖方式的影响关系；王明年等［6］通过卧式试验坑内的相似模型试验和有限元仿真分析，对三车道公路隧道施工中常用的全断面法、台阶法、单侧壁法和双侧壁法进行了比较，并分析了围岩的变形特点；严涛等［7］利用三维有限元模型对老鸭岭隧道Ⅳ级围岩不同开挖方法分析比较。然而，对Ⅳ级围岩大进尺下全断面开挖可行性研究较少，本文以吉图珲客运专线水南隧道为研究背景，采用数值计算和现场实测相结合的研究方法，对比Ⅳ级围岩大进尺下台阶法和全断面开挖的变形控制效果，并通过Ⅳ级围岩全断面施工监测数据分析对其可行性进行探讨，为类似工程提供参考。

1　工程背景

水南隧道位于图们市长安镇磨盘山村，隧道起讫里程为GDK286+122—GDK289+592，全长3 470 m，最大埋深约200 m。隧道按250 km/h双线隧道设计，轨面以上建筑限界内有效面积为92 m2。据地质调绘及钻探揭露，隧道穿越的地层主要为华力西晚期侵入岩。根据风化程度和埋深等指标划分为Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级围岩，其中Ⅳ级围岩占10%以上，因此，选择正确的Ⅳ级围岩开挖方法，是影响隧道施工安全、工程费用的关键。

2　有限元数值计算

2.1计算模型与参数

有限元模型横向宽度为120 m，纵向长度为60 m，围岩级别为Ⅳ级，隧道埋深为58 m。模型左右、前后和下边界均设为法向位移约束，上边界自由。因隧道埋深较浅，计算时按自重应力场考虑。围岩和初期支护中喷射混凝土衬砌以及二次混凝土衬砌均采用Solid45实体单元，初期支护的钢拱架采用Beam188梁单元。

隧道地质条件按各向同性地层考虑，采用D-P理想弹塑性模型，结构参数均参考文献［8］及实际工程施工报告给出。隧道支护为复合式衬砌，初期衬砌采用C25，厚度25 cm；二次衬砌采用 C30，厚度40 cm。Ⅳ级围岩及衬砌支护物理力学参数见表1。

表1　Ⅳ级围岩及衬砌支护物理力学参数

2.2计算步骤

本模型采用分步开挖的方法，用单元生/死来模拟初期支护的激活和隧道的开挖［9］，通过控制每步的开挖长度来模拟不同开挖进尺工况。

2.32种开挖方法下施工进尺的影响

通过控制开挖进尺的长度，模拟了4种不同的进尺工况，研究两台阶法和全断面法各工况下的拱顶沉降和边墙水平收敛位移。

2.3.1拱顶沉降

图1和图2分别为两台阶法和全断面法开挖进尺不同时的拱顶沉降曲线，表2给出了2种施工方法拱顶最大沉降值。对比可知，同一进尺下2种施工方法所引起隧道同一位置处的拱顶沉降量差异不大；当进尺为4 m时，两台阶法拱顶沉降最大值为12.62 mm，全断面法拱顶沉降最大值为12.46 mm。因此在岩性较好的Ⅳ围岩中，应采取围岩扰动次数较少、隧道施工速度较快的全断面开挖方法。

图1　两台阶法拱顶沉降曲线

图2　全断面法拱顶沉降曲线

2.3.2水平收敛

通过计算，将不同进尺下2种施工方法同一位置处的水平收敛位移制成表3。分析可知，同一进尺下全断面法施工引起的水平收敛较小；随着进尺的增加，两台阶法和全断面法造成的水平收敛值均增大，进尺4 m时，两台阶法和全断面法的水平收敛值分别为5.65 mm和3.79 mm。

表2　拱顶最大沉降值

表3　水平收敛位移

3　现场监测分析

3.1监测内容

监测内容为隧道水平收敛、拱顶下沉以及初支结构拱架受力。Ⅳ级围岩监测断面布置在里程GDK286+912。隧道埋深为56.5 m（地层条件差，位于沟谷浅埋段），2处岩性均为华力西晚期花岗闪长岩，强、弱风化层，呈灰白、浅灰色，为中～粗粒结构，块状构造，岩质较硬，节理裂隙发育。通过对围岩的坚硬程度和完整性分析，结合地下水状况、岩石弹性波纵波的传播速度得出2处围岩均属于Ⅳ级围岩（Ⅳ中等）。

隧道2处观测断面，原设计采用台阶法开挖，经过计算分析，采用全断面钻爆法开挖，开挖进尺为4 m，每天循环1次。初期支护结构，格栅拱架的主筋采用φ22的钢筋，钢筋网采用φ8钢筋制成，初期支护喷射C25混凝土，厚度为30 cm；二次衬砌采用C40钢筋混凝土，混凝土控制厚度为45 cm。

隧道沉降变形和水平收敛变形测点布置见图3。

3.2监测结果分析

GDK286+912处断面各测点沉降值见图4。从图中可以看出，随施工进程，隧道位移存在波动现象。拱顶（3号点）沉降较大，变形值5 mm；隧道右侧拱腰1号和2号点的沉降值为2 mm；左侧拱腰及下部由于岩体破碎，4号点的沉降值达4 mm（大于右侧相同部位），5号点（隧道左侧拱底）出现上移，约为3 mm。

图3　变形测点布置

图4　GDK286+912处断面各测点沉降值

GDK286+912处断面水平径向收敛值见图5。可以看出，隧道上部2号点到4号点之间的直线距离增加了6.5 mm，中部1号点到5号点的直线距离增加了3 mm，表明该断面顶部破碎、压力较大。

图5　GDK286+912处断面水平径向收敛值

根据断面的变形规律及地层条件可以得出，在河谷浅埋段（GDK286+912），由于岩体侧向压力较小，隧道变形主要表现为拱顶沉降，拱底轮廓外移。监测结果与上述数值模拟结果基本吻合，表明Ⅳ级围岩进尺4 m全断面开挖具有可行性。

计算值与实测值对比见表4。从表4可知，数值模拟所得到的拱顶沉降值和水平收敛值均略大于现场实测值，这是由于数值模拟可以在开挖模拟的同时进行位移监测。而实际测量过程中隧道开挖爆破结束后，不能立即进行变形监测，起始部分的沉降量未能测到，因此二者位移量是基本一致的，这也说明数值模拟能较准确地反映现场情况。

表4　GDK286+912处断面计算值与实测值对比

4　结论

1）通过三维有限元模型对Ⅳ级围岩下两台阶法和全断面法开挖进行对比分析表明，开挖进尺的长度对围岩稳定性具有重要影响，循环进尺越大造成当前开挖步产生的拱顶沉降值和水平收敛值越大。

2）同为4 m进尺下，全断面法和台阶法造成的拱顶沉降值差异不大，全断面法引起的水平收敛值更小，且在施工允许的变形范围内。表明大进尺下隧道全断面法施工过程中围岩是稳定的。

3）由Ⅳ级围岩施工现场监测及分析可知，4 m进尺下全断面开挖隧道总体变形不大，最大沉降变形为5 mm，水平收敛值为2.4～6.5 mm。围岩较为稳定，与计算分析结果基本一致，有效地证明了Ⅳ级围岩大进尺下全断面开挖的可行性。

［1］王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］王梦恕.隧道与地下工程技术及其发展［M］.北京：北京交通大学出版社，2004.

［3］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］王复明，刘东坤，李晓龙，等.高速公路隧道施工监控测量及稳定分析［J］.铁道建筑，2007（4）：49-51.

［5］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.

［6］王明年，关宝树.三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为研究［J］.岩土工程学报，1998，20（1）：51-55.

［7］严涛，金学松，王维嘉.老鸭岭隧道Ⅳ级围岩开挖方法三维数值分析比选［J］.铁道建筑，2010（8）：66-69.

［8］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［9］章惠冬.ANSYS单元生死技术软件在结构设计及施工中的应用［J］.建筑施工，2008（9）：824-825，833.

（责任审编赵其文）

Feasibility Research of Full Section Excavation of Tunnel in ClassⅣ Surrounding Rock with Large Footage

YAN Dumin1，2，HE Ping1，GAO Hongjie1，WANG Dong2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.The 3th Engineering Co.，Ltd.of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan Shanxi 030024，China）

T aking the Jilin-T umen-Hunchun as the research background，the full section excavation feasibility with large footage in classⅣ surrounding rock was discussed by combining the numerical simulation with the field monitoring method.T he research results showed that vault settlement has little difference by using two excavation methods with 4 m footage，tunnel horizontal convergence caused by full section excavation method was smaller than that caused by two-bench method，construction monitoring data were basically identical with the result of calculation analysis.T here was little general deformation of full section excavation tunnel with 4 m footage，the maximum settlement deformation of which was 5 mm while horizontal convergence was-2.4～6.5 mm.T he surrounding rock is stable which indicates that full section excavation method with large footage in classⅣ surrounding rock is feasible.

ClassⅣ surrounding rock；Numerical simulation；Field monitoring；Full section excavation；Feasibility

U455.41+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.16

1003-1995（2016）08-0065-04

2016-01-28；

2016-05-20

颜杜民（1973— ），男，高级工程师，硕士。