软弱围岩浅埋隧道施工工法研究

李沛莹

（河南省地矿局第二地质环境调查院，河南郑州450053）

软弱围岩浅埋隧道施工工法研究

李沛莹

（河南省地矿局第二地质环境调查院，河南郑州450053）

针对浅埋公路隧道的软弱围岩地质情况，基于三维有限差分软件FLAC3D，建立软弱性围岩浅埋隧道变形预测模型，采用预留核心土法对现场施工过程进行仿真模拟，将模拟结果与现场监控量测数据进行对比，验证预测模型的合理性。基于预测模型，计算并分析不同工法下洞周围岩在掘进过程中的变形规律和开挖面稳定性等。结果表明：CD法施工时的拱顶沉降与开挖面最大内空位移是3种工法中最小的，但由于其开挖过程工序繁多，对围岩造成的扰动效应与开挖引起的收敛位移较预留核心土法大，综合经济效益，在实际工程中采用预留核心土法是非常合理的。

隧道；软弱围岩；监控量测；施工工法

软弱围岩浅埋隧道在施工过程中稳定性差、易发生冒顶、坍塌。如何控制软弱围岩浅埋隧道变形是隧道工程研究亟待解决的问题之一。选择适当的施工工法对控制软弱围岩浅埋隧道的变形尤为重要。

目前，研究人员主要从理论分析、数值模拟与试验研究三方面对软弱围岩变形进行探究。文献［1］根据Hoek-Brown屈服准则推导出了不同岩体参数下软弱围岩隧道收敛位移的解析解；文献［2］采用现场试验手段对大断面浅埋黄土隧道锚杆的作用效果进行了研究；文献［3］对软弱围岩隧道的支护体系进行现场试验或模型试验，分析了不同类型支护体系与围岩相互作用。由于围岩存在应变软化特性［4］，但上述研究并未考虑这一特性，故需比选不同施工工法着手研究软弱围岩变形。

对于工法比选的研究，一方面主要考虑浅埋隧道下不同工法的力学响应，文献［5］重点讨论软弱围岩条件下隧道的施工力学性态；另一方面则主要对软弱围岩条件下的工法进行优化，文献［6］对软弱围岩隧道施工过程进行数值模拟，分析围岩和支护结构的应力场和位移场的分布情况，并对不同施工方案进行了比选优化。然而，将隧道浅埋与软弱围岩应变软化特性相结合的工法研究甚少。

针对以上问题，此研究依托某软弱围岩浅埋隧道实际工况，结合围岩的应变弱化特性进行数值模拟分析，并将现场监控量测数据与数值模拟结果进行对比，探讨软弱围岩在施工过程中围岩的变形规律；比较台阶法、预留核心土法和CD法在软弱围岩浅埋隧道施工中的优劣性。

1　工程概况

依托隧道左幅全长830 m（ZK14+510～ZK14+ 1340），右幅全长830 m（YK14+510～YK14+1 340）。研究中，仅取洞身YK14+800～YK14+910段进行数值模拟。该区段为V级围岩区域，黏土呈硬塑状。现场采用预留核心土法开挖，隧道衬砌按新奥法原理设计，超前小导管长4.0 m，环向间距40 cm，纵向间距240 cm，导管外插角度为10°～15°，布置方式呈梅花形，导管内压注水泥浆。系统锚杆采用长度为3 m的D32聚酯中空注浆锚杆，间距为60 cm（纵）×120 cm（环）。布设φ8的钢筋网（20 cm×20 cm）。喷射26 cm厚的C25混凝土，二衬和仰拱均为50 cm厚的C30钢筋混凝土。

2　施工过程模拟

首先采用三维有限差分软件FLAC3D建立隧道预测模型。由于在研究中采用不同工法对隧道掘进过程进行模拟，不同工法下（台阶法、预留核心土法、CD法）的隧道横断面并不相同。需要指出的是，由于采用台阶法与预留核心土法施工时隧道开挖面具有对称性，故仅取一半模型进行分析。其中，预留核心土法是现场施工工法。

图1　不同工法的施工步骤示意图

根据实际地形情况，模拟段开始部分埋深为6 m，在纵向y=60 m之后范围内设置模型坡度为12°，由《公路隧道设计规范》可知，隧道属于浅埋范畴。模型的上表面为自由边界，底部为固定边界，四周为法向位移约束边界，模型受重力作用，根据勘察资料，该段软弱围岩重度为18.522 kN/m3。

3种不同施工工法的具体施工步骤如图1所示。3种工法的循环进尺均为1.2 m，开挖一步即施加初期支护。台阶法施工时，上台阶长12 m，下台阶长6 m，二衬距开挖面18 m。预留核心土法施工时，台阶长6 m，核心土长3.6 m，二衬距开挖面18 m。CD法施工时，导坑长4.8 m，后行导坑距先行导坑12 m，先行导坑开挖面距二衬27.6 m。

数值计算时，围岩采用实体单元模拟，并假定其满足FLAC3D中内嵌的摩尔库伦应变软化模型，根据三轴试验结果，取围岩的强度折减率为60%，软化系数为0.03。

采用桩单元模拟锁脚锚以避免弯矩作用，支护结构中的初衬、二衬、超前导管和系统锚杆均采用实体单元模拟，并将其视为线弹性材料。其中，超前导管、钢拱架、钢筋网和系统锚杆的弹性模量采用等效方法［8］折算成混凝土。模拟过程中支护施作时机由应力释放率控制。当隧道开挖至某一位置，释放开挖所产生的不平衡力的50%，初衬成环时释放开挖所产生的不平衡力的20%，二衬成环后释放开挖所产生的不平衡力的30%。需要指出，为比较不同工法下隧道力学响应，各工法模拟时均选取同一支护体系，材料参数见表1。

表1　材料参量汇总表

3　隧道变形预测模型

基于变形预测模型，根据现场施工，首先采用预留核心土法对隧道开挖过程进行三维仿真模拟。

3.1数值模拟结果分析

选取y=50 m处的横断面为目标断面，开挖稳定后目标断面的拱顶沉降、收敛位移随开挖步变化曲线分别如图2与图3所示。其中，拱顶沉降值为负时表示下沉，收敛位移为正值时表示位移方向指向洞壁内。

由图2和图3可知，采用预留核心土法开挖完成至稳定后，拱顶沉降为11.8 cm，目标断面超前沉降占总沉降的比例为29.5%。表明采用预留核心土法围岩并未造成较大松动。开挖至稳定后的收敛位移为3.7 cm，收敛位移曲线在达到峰值后会出现微小回弹现象，这可能是由于初衬施加时与围岩的相互作用引起的，另一方面也可能与模型的不平衡性有关。

3.2数值模拟结果与实测值比较

图4与图5分别为监测断面YK14+860处拱顶沉降与收敛位移随开挖时间变化曲线，该监测断面对应模型中的目标断面。

图2　拱顶沉降随开挖步变化曲线

图3　收敛位移随开挖步变化曲线

采用数值模拟与现场监测的最终拱顶沉降与收敛位移见表2。由表2知，计算结果与实际情况基本相符但稍有偏差，主要是由于数值模拟中每个开挖步的平衡在图4和图5中表现为瞬时平衡，但实际上平衡过程是比较缓慢的，且监控量测在围岩变形尚未完全稳定时即停止。但总体来说，以上对比可表明浅埋隧道软弱围岩预测模型的合理性。

4　隧道开挖方案比选

此节中，主要探究预留核心土法、台阶法、CD法下的围岩变形。选取纵向y=50 m处的断面作为目标断面，3种工法拱顶沉降和收敛位移随开挖步变化曲线如图6与图7所示。其中，CD法施工时的拱顶沉降和收敛位移监测点均位于后行导坑右侧。

由图6可知，3种不同工法下的拱顶沉降差异明显。其中，台阶法开挖的最终拱顶沉降最大，达到17.9 cm，且目标断面超前沉降占总沉降的54.4%，说明采用台阶法开挖对围岩扰动很大，此时需采用超前支护等措施对围岩进行加固。CD法对应沉降最小，为4.9 cm，仅为预留核心土法下沉降的41.5%。计算结果显示：CD法与预留核心土法下目标断面超前沉降占总沉降的比率分别为38.5%和29.5%，CD法施工时，超前沉降较大的主要原因是先行导坑开挖对拱顶区域有扰动。因此与CD法相比，预留核心土法在维持开挖面前方稳定方面具备一定优势。

由图7可看出，采用台阶法和预留核心土法开挖时，收敛位移基本相同，约为4 cm。CD法开挖时，收敛位移最大，为4.3 cm，原因在于CD法施工时，后行导坑在未开挖时，受到先行导坑开挖干扰，造成收敛位移偏大。但与拱顶沉降相比，3种工法下的收敛位移差别并不显著。

图4　监测断面拱顶沉降

图5　监测断面收敛位移

表2　数值模拟和监控量测对比表

开挖面内空位移表明在开挖面处围岩的纵向

图6　拱顶沉降随开挖步变化曲线

图7　收敛位移随开挖步变形曲线

变形，表征开挖面处围岩的稳定性。采用3种工法下开挖面内空位移如图8所示。从图8可看出，各工法下的隧道开挖面底部的内空位较小且基本相同，这是由于3种工法下开挖面底部的测点并未处于临空面，而是处于三向受力状态，所受工法影响也相对较小。采用台阶法、预留核心土法和CD法的开挖面最大内空位移分别为26.4，13.7，10.2 cm。说明台阶法对开挖面稳定性控制效果最弱，预留核心土法与CD法的内空位移差别并不大，前者比后者多出34.3%。

图8　开挖面内空位移

综上所述，CD法施工时的拱顶沉降与开挖面最大内空位移是3种工法中最小的，然而，由于其开挖过程工序繁多，对围岩造成的扰动效应与开挖引起的收敛位移较预留核心土法大，且预留核心土法与其开挖面最大内空位移相差并不大。这说明预留核心土法在维持围岩稳定方面仍具一定优势，综合经济效益，可以认为，在实际工程中采用预留核心土法是非常合理的。

5　结　　论

1）引入软弱围岩变形预测模型，基于围岩应变软化行为对浅埋隧道进行数值模拟，将模拟结果和现场监控量测数据对比，验证变形预测模型合理性。

2）CD法对拱顶沉降的控制效果最佳，预留核心土法次之，与CD法相比，预留核心土法在维持开挖面前方稳定方面具备一定优势。

3）由于开挖工序较多，采用CD法开挖时收敛位移偏大。但与拱顶沉降相比，3种工法下的收敛位移差别并不显著。

4）CD法施工对围岩造成的扰动效应与开挖引起的收敛位移较预留核心土法大，故综合经济效益，可以认为，在实际工程中采用预留核心土法是非常合理的。

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