某软弱围岩隧道不同施工方法力学行为分析

赵玉成++贾晓旭

摘要：为分析不同施工工法对软弱围岩隧道施工过程中围岩稳定性的影响，以某隧道工程为依托，对三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法施工过程进行数值模拟，并和实际监测数据进行对比分析，研究软弱围岩隧道在2种不同工法施工过程中围岩变形情况、初期支护应力变化、锚杆受力特征和塑性区分布范围。研究结果表明：采用双侧壁导坑法开挖，隧道围岩变形和支护关键点应力明显小于三台阶预留核心土法，2种不同工法的锚杆受力特征基本一致，双侧壁导坑法对围岩塑性区发展的控制更加有效。

关键词：软弱围岩；隧道；双侧壁导坑法；三台阶预留核心土法

中图分类号：U455.4文献标志码：B

0引言

隧道围岩的稳定性是隧道施工过程中的重要问题，中国地形、地貌复杂多变，隧道开挖过程中经常遇到软弱围岩等不良地质条件，软弱围岩区段是控制隧道围岩稳定的重要区段之一[13]。隧道围岩稳定性控制不好，将会导致隧道冒顶或坍塌，造成重大经济损失。因此，人们非常重视对软弱围岩隧道稳定性的研究[46]。本文对软弱围岩隧道不同施工工法下的围岩稳定性规律进行数值模拟研究，并对比分析不同工法的力学响应，为今后类似软弱围岩隧道设计和施工提供参考。

1隧道概况

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，设计为上下行分离的独立双洞双车道隧道，单向纵坡-25%。隧道左线起讫桩号为ZK746+010～ZK750+042，全长4 032 m；右线起讫桩号为YK745+986～YK749+986，全长4 000 m。隧道建筑限界净高1025 m，设计纵坡-25%，隧址区属冰缘水流构造侵蚀中山地貌，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。山体平均海拔高度大都在4 300 m以上。隧道高程4 229.16～4 635 m，相对高差750 m，地形起伏较大。

2不同施工工法数值模拟

2.1模型建立及参数选取

根据隧道具体情况和施工设计资料，隧道断面净高10.25 m，最大跨度处宽12.86 m。考虑边界条件对隧道计算的约束效应，隧道整体模型左右两边到隧道中心的距离取3～5倍跨度，隧道底部到模型下边界的距离取2～3倍跨度，隧道拱顶距地面30 m，沿隧道开挖方向取50 m。模型中X轴表示隧道横断面方向，Y轴表示隧道开挖方向，Z轴表示竖直方向。为确保2种工法模拟对比的客观性，模型尺寸均为100 m×50 m×70 m，如图1所示。模型上部不施加约束，为自由面；下边界施加竖向约束，限制竖向自由度；左右边界施加水平方向约束，限制水平向自由度。

由于隧道附近区域内岩性单一，可将围岩假设为均一各向同性的理想弹塑性材料进行模拟计算，服从DruckPrager屈服准则。小导管和注浆的加固作用等效为一种地层材料，通过提高地层的粘聚力和摩擦角来模拟加固圈作用[7]，加固圈厚度取05 m。围岩和加固圈采用实体单元模拟。锚杆长35 m，直径为22 mm，环向间距为1 m，梅花形布置，采用嵌入式杆单元模拟。格栅钢架间距为08 m，纵向用钢筋连接来提高整体稳定性，格栅钢架采用梁单元模拟。初期支护采用壳单元模拟，二次衬砌作为长期安全储备[8]，不做考虑。围岩和材料力学参数如表1、2所示。

2.2施工过程数值模拟

运用FLAC3D模拟施工过程，每一开挖步即为一个计算步，循环进尺1 m，支护滞后开挖步1 m施作。三台阶预留核心土法和双侧壁导坑法的开挖顺序和剖面如图2、3所示。三台阶预留核心土法包括68个计算步：第1步，计算初始地应力平衡；第2～5步，上台阶环形土①部开挖4 m；第6～9步，核心土②部开挖4 m，同时上台阶环形土①部开挖到8 m；第10～13步，中台阶③部开挖4 m，①、②部同时平行开挖；第14～17步，下台阶④部开挖4 m，①～③部同时平行开挖；第18～21步，仰拱⑤部开挖4 m，①～④部同时平行开挖，形成如图2（b）所示格局；然后各台阶平行开挖，直到隧道开挖完成。

图2三台阶预留核心土法开挖顺序和剖面

图3双侧壁导坑法开挖顺序和剖面

双侧壁导坑法包括84个计算步：第1步，计算初始地应力平衡；第2～5步，左侧上导坑①部开挖4 m；第6～9步，左侧下导坑②部开挖4 m，同时①部开挖到8 m；第10～13步，右侧上导坑③部开挖4 m，①、②部同时平行开挖；第14～17步，右侧下导坑④部开挖4 m，①～③部同时平行开挖；第18～21步，中间上土体⑤部开挖4 m，①～④部同时平行开挖；第22～25步，中间下土体⑥部开挖4 m，①～⑤部同时平行开挖；按照此步骤依次开挖⑦～⑨部分，最后拆除中隔壁，支护滞后开挖步1 m施作，最终形成图3（b）所示格局；然后各台阶平行开挖，直到隧道开挖完成。

2.3计算结果分析

2.3.1位移结果分析

在采用2种不同工法施工的过程中，选取Y=25 m断面为监测面，围岩关键点拱顶沉降随开挖步的变化曲线如图4所示。

由图4可以看出：采用三台阶预留核心土法时，断面拱顶沉降值在第13开挖步开始增大，此时开挖断面上台阶环形土①部距离监测断面12 m，沉降增幅较小，近似线性增长；第29开挖步时，核心土②部开挖到监测断面，拱顶沉降量迅速增长，沉降速率变大；第37开挖步时，下台阶④部通过监测断面，此后拱顶沉降量变化曲线开始变缓，增速逐渐变小；第60 开挖步，仰拱⑤部距离监测断面20 m，约两倍隧道净高，此时沉降速率逐渐减小，沉降量趋于稳定，约为378 mm。采用双侧壁导坑法时，第20开挖步开始影响监测面拱顶沉降，对监测面的影响距离仅为5 m，远小于三台阶预留核心土法。由于双侧壁导坑法开挖面小，对土体扰动小，所以第40开挖步后沉降量缓慢增加，逐渐趋于稳定，对隧道监测断面的影响距离远小于三台阶核心土法，并且拱顶最大沉降值为236 mm，比三台阶核心土法减小3757%。