隧道围岩台阶法开挖模拟分析

蒋 伟 倪文杰

(1.重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074;2.深圳艺洲建筑工程设计有限公司 广东 深圳 518000)



隧道围岩台阶法开挖模拟分析

蒋 伟1倪文杰2

(1.重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074;2.深圳艺洲建筑工程设计有限公司 广东 深圳 518000)

隧道开挖阶段隧道施工中极其重要的阶段，选择合适的开挖方法及适当的开挖循环进尺有利于保证隧道的安全施工,防止延误工期，节约工程造价。本文以重庆市江北区鱼嘴镇和龙兴镇境内的隧道为例，对其开挖阶段进行台阶法模拟分析，从而得出不同的循环进尺下的隧道开挖对于围岩变形的影响，并根据模拟开挖分析结果对隧道施工提出建议。

隧道开挖；循环进尺；台阶法

引言

隧道开挖是隧道施工中相当重要的环节。隧道开挖过程中选用不同的循环进尺及不同的开挖方法对于隧道围岩的变形有着一定的影响,因此选择合适的开挖方法及制定适当的开挖循环进尺有利于保证隧道的安全施工,防止延误工期，节约工程造价。

本文以重庆市江北区鱼嘴镇和龙兴镇境内的隧道为背景，采用台阶法开挖模拟，并对模拟结果进行分析，从而对隧道施工提出建议，优化施工开挖方案。

一、工程背景

(一)工程概况

本隧道位于重庆市江北区鱼嘴镇和龙兴镇境内，中心里D1K21+585，全长620m，最大埋深约32.5m。隧道纵坡设计为7.5431%的上坡全隧道除D1K21+398.972～出口段位于左线半径R=4500m(右线半径R=4495.4m)右偏曲线上外，其余地段均为直线。本隧道进口里程为D1K21+275；出口里程为D1K21+895。

(1)隧道纵断面图：

图1 隧道纵断面图

(2)隧道进口处横断面图

图2 隧道进口处横断面图

(二)地层岩性

隧区内上覆第四系人工填土(Q4ml)层、坡残积(Q4dl+el)层，下伏侏罗系中统下沙溪庙组(J2xs)泥岩夹砂岩，分述如下：

<1-1>人工填筑土(碎石土)(Q4ml)

褐色，紫红色，硬塑状，主要成分为粉质黏土，其间夹砂，泥岩砂，块石，约占30%，粒径10～350mm，稍湿，为人工堆叠而成，厚约2～6m，主要分布于隧道进口斜坡及左侧地带，为工程建设施工弃土属II级普通土，为D组填料。

<3-3>粉质黏土(Q4dl+pl)

紫红色、硬塑性，质纯，局部软塑，分布于测区内沟槽中，厚约1～3m，属于Ⅱ级普通土，为D组填料。

<4-1>粉质黏土(Q4dl+el)

褐黄、棕褐色，硬塑～坚硬，含5～10%的砂，泥岩质碎石，角砾，厚0～2m，局部厚2～4m，广泛分布于丘坡缓坡地段，属Ⅱ级普通土，为D组填料。

(三)不良地质及特殊岩土

隧道内不良地质现象为顺层，特殊岩土为人工填土。

1.顺层：隧道进口基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)泥岩夹砂岩，岩层产状N25°E/ 29°N，岩层走向与线路夹角59°，进口仰坡为顺层。

2.人工填土：褐色，紫红色，硬塑状，主要成分为粉质黏土，其间夹砂，泥岩砂，块石，约占30%，粒径10～350mm，稍湿，为人工堆叠而成，厚约2～6m，主要分布于D1K21+248～D1K21+287及D1K21+328段斜坡及左侧地带，为工程建设施工弃土，碴体边坡自稳性较差，对隧道进口有一定影响。

二、隧道施工过程的模拟

(一)模型的建立

根据隧道勘测和设计数据，B = 14米，H = 10.3米高的隧道跨度。一般而言,距隧道中心3～5倍开挖宽度为隧道围岩位移开挖的影响范围。因此,地层模型的横截面方向取70m(5B),垂直于地表向下(埋深)32.5m,垂直于地表向上取30m,沿隧道轴线方向取42m(3B)。模型左右、前后和下边界设为均为法向位移约束，上边界自由，如图3所示。因隧道埋深较浅，计算时按自重应力场考虑。

图3 计算模型

(二)开挖过程的模拟

隧道上下台阶开挖面距离2m，开挖进尺2m,如图4所示。施工过程模拟如下：形成自重地应力场→第1段(0～16m)开挖，释放载荷30%→第1段初期支护，释放载荷70%→第2段(16～18m)上台阶开挖，释放载荷30%→第2段上台阶初期支护，释放载荷70%→第2段(16～18m)下台阶开挖，释放载荷30%→第2段下台阶初期支护，释放载荷70%→第3～9段(18～32m)开挖、初期支护与荷载释放的对应关系，同第2段→第10段(32～48m)开挖同第1段→全断面施作二次衬砌(0～48m)。计算步中，奇数计算步为释放开挖面荷载30%，偶数计算步为释放开挖面荷载70%，荷载步为4的倍数是开始上台阶开挖的时刻。

图4 台阶法开挖过程示意图

三、模拟结果分析

(一)隧道开挖过程对围岩位移的影响

图5是模型表面测点A’～E’沉降随开挖过程的变化特征，其中奇数计算步为释放隧道表面荷载30%，偶数计算步为释放隧道表面荷载70%。可以看出：(1)每一个循环进尺中，第一步(释放荷载30%)产生的位移变化比较小，第二步(释放荷载70%)产生主要的位移变化；(2)沉降主要集中在距中心范围10 m内，拱顶地表的沉降量(最大值)为两边沉降量的3.3倍，所以地表沉降呈现出以拱顶为中心的中间大、两头小的槽形分布形式；(3)从开挖的过程来看，开挖未到目标断面前地表的沉降量占总沉降量的25%，开挖到目标断面前占40%，经过目标断面后占35%，因此，需要及时通过超前支护措施(如注浆、超前锚杆)来减少地表沉降，并且及时加强初期支护。

图5 模型表面不同位置沉降随开挖步的变化曲线

图6是A～E在拱顶地层L1测线上沉降随开挖的变化特征：(1)在拱顶地层附近越靠近拱顶则沉降量越大，沉降量从拱顶到地表呈由大到小的变化趋势，因此，拱顶的沉降值应作为设计和施工控制的重要指标。(2)在隧道不同深度位置变形量相差不大，说明围岩的应变梯度较小，但隧道目标断面还未开挖之前，拱顶已发生沉降，其沉降值为总沉降值的24%；一般来说，现场监测只能在当前开挖之后进行，因此应将还未开挖之前的沉降数据加入到全部现场量测位移中。(3)对拱顶沉降量影响最大的是目标断面前后各一个施工进尺范围，此处为前后各2m；此范围内施工引起的拱顶沉降量为总沉降量的66%，即总沉降量的2/3；越靠近隧道表面的测点位移变化越大，表明围岩一定深度范围内应变梯度较大，围岩开始出现松动区。总的来说，对沉降量的影响大小排序为：当前开挖的影响最大，相邻开挖的影响次之，通过横断面后的开挖影响最小。故在需要严格控制拱顶沉降量时，可采用增加台阶数、缩短开挖进尺或采用辅助施工法以加固顶部围岩强度的方法。

图6 拱顶地层沉降随开挖的变化曲线

拱圈内侧特征点其径向位移随开挖的变化曲线图，如图7所示(这里选取柱坐标系)。可以看出：(1)在前后一个开挖距内特征点的径向位移最大，其范围内产生的位移约占总位移量的2/3；(2)围岩的径向位移以拱顶变化最为显著，拱底次之，拱腰和拱脚相对变化较小，说明围岩位移监测应以拱顶作为主要控制点；(3)拱底向上的位移则需尽快施作仰拱加以控制，这也是在软弱围岩中加设仰拱的主要原因，在需要尽量控制顶底竖向位移时，需加强初期支护的刚度，同时尽快封闭仰拱。

图7 拱圈特征点径向位移随开挖的变化曲线

(二)开挖过程中围岩位移的纵向分布规律

隧道开挖面的推进围岩竖向位移的变化情况(如图8)可以看出，围岩位移在未开挖洞段的位移相对较小，在已开挖洞段的位移较大，而距离工作面越近位移越小，远离工作面的围岩位移则逐渐增大并趋于平缓，且随着工作面的推进，这种分布规律随之沿隧道掘进方向发展。

图8 随着开挖面向前推进，围岩的竖向位移分布(单位：m)

在不同开挖进尺条件下，拱顶围岩沿隧道轴向上的位移分布(如图9)可以看出：(1)软弱破碎围岩当前开挖造成的围岩位移变化最为显著，因此，应通过在开挖后迅速施作初期支护来减小围岩变形；(2)对于开挖面前方围岩，其影响范围小于4m(2倍开挖步距)；(3)对于已开挖洞段，工作面空间效应的影响范围小于16m(1倍隧道洞径)；(4)当隧道累计开挖进尺超过32m(2倍隧道洞径)后，围岩沉降变形基本趋于稳定。

图9 随着开挖面向前推进，围岩拱顶沉降沿隧道纵向分布

(四)不同台阶距离的对比分析

隧道累计开挖进尺32m时，不同台阶工作面间距施工方法引起的拱顶沉降沿隧道纵向的分布如图10所示。可以看出：开挖面对已开挖洞围岩的约束效应的影响范围小于16m(1倍隧道洞径)；拱顶位移值的大小与台阶距离的关系不明显，台阶距离越大，相同位置拱顶位移略大一些。

图10 不同台阶距离的情况下，拱顶沉降沿隧道纵向分布(开挖进尺32m)

虽然围岩总的位移值变化规律受台阶工作面间距的影响较小，但台阶工作面间距引起的围岩位移变化过程是显著不同的，图11是目标断面拱顶位移与开挖过程的关系。可以看出：每个开挖循环进尺中，台阶距离越大，上台阶开挖过程(特别是通过目标断面的开挖步)对围岩位移的影响也就越大(下台阶的影响越小)。累计开挖进尺16～32m段，不同台阶间距施工方法引起的拱顶位移值变化的定量分析，如表1所示。可以看出，围岩在上台阶开挖过程中发生了绝大部分位移，台阶工作面间距大于4m后，上台阶开挖引起的拱顶沉降占总位移的90%以上。

图11 拱顶沉降与计算步的关系

台阶距离2m台阶距离4m台阶距离8m上台阶上台阶比例上台阶上台阶比例上台阶上台阶比例896255351：1968183529：110540971087：1

四、台阶法施工优化建议

优化的基本的原则为：减小每步开挖面积，并预留核心土，减小台阶长度，减小开挖进尺，快速封闭，从而减小地应力释放和地表沉降。

1.开挖进尺进行优化

基本的原则为：减小每步开挖面积，并预留核心土，减小台阶长度，减小开挖进尺，快速封闭，从而减小地应力释放和地表沉降。

上、下台阶长度应不小于10m左右，这样每一个台阶上掌子面就会做开,面积也不会过大，可以维持掌子面的稳定。左右导洞掌子面应该错开20m以上,可以降低左右导洞开挖的相互影响；

上、下台阶单循环开挖进尺均不应大于1m，最好是1到2榀钢拱架的长度，这样可以利用掌子面的空间效应来稳定和减小围岩的变形。

核心土柱的开挖进尺可以适当加大，为2～3m，即一次开挖,3～5榀钢架；核心土上下台阶掌子面错开5m即可。

2.水平型钢支撑进行优化

水平型钢支撑其实起到封闭开挖面的作用，使支护形成封闭结构，使受力合理。而断面的及时封闭对控制地表沉降十分重要。因此开挖后应该及时施作水平临时支撑，形成封闭环。此外由中柱岩墙联合支护数值分析的结果看，水平型钢支撑承受轴力较大。为了减少围岩的变形和位移，应该加大型钢支撑两端的垫板的面积，端部围岩的刚度，减少水平型钢支撑的变形从而达到减少围岩的水平位移。

3.中心竖向钢砼柱墙临时支撑进行优化

中心竖向钢砼柱墙临时支撑主要是为了保证拱顶围岩的稳定，从数值分析结果看，中心竖向钢砼柱墙临时支撑承受很大的轴力，因此，在其顶端设置扩大的垫板，可以使力分散在更大面积的围岩上，可以防止型钢端部围岩被压碎而使拱顶产生过大的沉降。

核心土上部台阶开挖时，开挖面与前方未拆除的中心竖向钢砼柱墙临时支撑的距离应该不小于5米，这时为了保证前方中心竖向钢砼柱墙临时支撑的稳定。

4.钢拱架进行优化

在掌子面开挖结束后，要立拱架、打锚杆和喷射混凝土形成初期支护。对钢拱架可以设置大拱脚：在初支拱脚处设置大拱脚，并设置I25b型钢牛腿和1.6cm厚钢板垫板。

5.初支背后填充注浆

隧道施工初支整体沉降较大，背后容易出现空隙，且型钢背后不易与围岩密贴，易形成空隙或水囊，造成地面沉降。因此，必须对第一层初支背后填充注浆。

[1]宋习武，黄明星.中寨子隧道排水常见渗漏及处治方法.民营科技，2014,(1):182.

[2]黄威.城市小断面隧道爆破施工技术[A].企业科技与发展，2014，(13):108.

蒋伟(1992-)，男，汉族，湖北随州人，重庆交通大学硕士研究生，从事隧道及地下结构工程方面的研究;倪文杰(1991-)，男，汉族，湖北天门人，结构设计师，本科，深圳艺洲建筑工程设计有限公司，从事建筑结构设计。