隧道开挖对掌子面前方围岩影响范围研究

刘阳　苏丹那

[摘 要]对于软弱围岩，由于地层条件较差，这就对隧道掌子面自身的稳定提出了更高要求，而且掌子面的稳定与否在施工中对整个隧道的稳定也会产生重要影响。参考前人研究成果后，在Ⅴ、Ⅵ级围岩条件下，以目前施工中最常用的台阶法为例，利用大型有限元软件ANSYS，重点分析掌子面挤出变形发生发展规律，掌子面前方围岩空间效应区内的位移、应力的分布规律，从而得出了掌子面开挖对前方围岩的影响范围。

[关键词]软弱围岩；台阶法；掌子面；施工效应

[中图分类号]U456.31 [文献标识码]A

随着现在交通的迅速发展，地下工程项目修建数量日益增多，大量长大、深埋、偏压隧道随之不断涌现。

围岩是指受开挖影响而发生应力状态改变的隧道周围岩土体。根据岩土体的物理力学性能，可将其分为硬岩和软岩两大类。软弱围岩由于其岩石强度低、岩体破碎、赋存环境差等特性，使其力学特征与一般的围岩存在较大差异。研究软岩隧道的变形机制，首先要研究软弱围岩的地质、强度特征，以及与之相联系的变形特性，并在此基础上研究对工程施工的影响。隧道掌子面及其前方围岩变形及应力的发展规律的研究，是掌子面稳定性控制的理论基础。

1 软弱围岩的地质特征和变形特征

1.1 地质特征

国内外学者对软弱围岩的定义很多，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义，这三种定义方法各有优缺点。目前，在实际研究中得到普遍接受的软岩定义基本上可归于描述性范畴。

按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量泥质、炭质、膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、千枚岩等单轴抗压强度小于25 MPa的岩石，是天然形成的地质介质。工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，具有强度低、结构松散等低强度的特点，承受荷载的能力极低。这两种软岩在地应力水平（或埋深）较高的条件下，施工过程中容易产生威胁隧道安全的大变形。

1.2 变形特征

软弱围岩以塑性和流变变形为主，不仅初期的变形速度快，而且延续时间长，具有明显的流变特征。综合分析大多隧道开挖后的变形规律，软弱围岩隧道施工经常出现以下问题：拱顶下沉较为明显，掌子面挤出甚至崩塌，底板鼓出严重，隧道开挖后变形在较长时间内不收敛，初期支护变形严重，在富水条件下出现大量涌水与围岩流失等。

综合上述，隧道穿越软弱围岩地质条件时，如果任其变形发展最终可能会造成掌子面崩塌失稳、拱部坍塌等各种稳定性问题。

2 掌子面及其前方围岩施工效应分析

隧道施工应力和变形规律发展可通过现场实测、室内模型试验和数值模拟等手段获取。而数值模拟由于实施方便、成本低、节省时间，易于大量开展。本文将运用有限元数值模拟手段，对软弱围岩隧道掌子面及其前方应力、变形演化机制及其时空分布规律进行研究。

2.1 工况及计算模型

采用三维数值方法分别对单线和双线隧道，参照时速200 km/h客货共线隧道断面尺寸，动态模拟台阶法施工过程，计算中台阶长度分别为：上台阶9 m、下台阶9 m。围岩级别分别考虑了Ⅴ、Ⅵ两种情况，埋深300 m。计算模型如图1所示。

计算模型中，为减少边界约束效应，计算范围按左右边界距隧道中心线距离不小于4倍洞径考虑，底部边界距隧道底部的距离按不小于3倍隧道高度考虑。侧面及底部边界采用位移边界条件，顶部采用应力边界以模拟埋深条件（顶部施加自重应力场）。

2.2 位移发展规律

以开挖结束后的掌子面位置断面为监控面，以双线隧道为例，在距离监控面5 m时，Ⅴ、Ⅵ级围岩的上台阶监控面挤出变形已经达到了终值的21%、28%，下台阶先行挤出变形分别达到了终值的63%、69%，下台阶先行挤出变形较显著。在开挖至监控面较远距离时，下台阶挤出变形增长较快，而后期上台阶挤出变形增长更明显。

图2为典型工况下（Ⅵ级围岩）掌子面挤出变形分布特征。可以看出上台阶最大挤出变形发生在掌子面中部偏下位置，下台阶最大挤出变形发生在台阶顶部。

为了更直观地了解掌子面前方核心围岩挤出变形的影响范围，上下台阶分别沿隧道轴向建立两条路径，将其挤出位移值映射在路徑上。

由路径结果图4可以看出，在掌子面前方较近的范围内挤出变形迅速下降，以双线隧道为例，上台阶前方1.5倍洞跨左右时，上下台阶前方挤出变形量值基本相等，并都趋于平稳，变形量值约为终值5%左右，我们将这个距离定义为掌子面挤出变形在前方核心围岩的影响距离。

3 小结

（1）隧道施工过程中挤出变形在掌子面前方已经发生，且围岩条件越差先行变形的比例越高。

（2）掌子面挤出变形在很大程度上受断面尺寸、围岩特性影响，其中围岩条件对掌子面最终挤出变形的影响更大，全断面法中掌子面挤出变形最大的位置都发生在中部偏下的位置；台阶法时出现在上台阶中下部和下台阶中上部。

（3）开挖卸载对Ⅴ、Ⅵ级围岩掌子面前方的范围较大，掌子面前方围岩挤出变形不容忽视，而Ⅳ级围岩影响深度相对较小。掌子面开挖的空间效应对围岩应力水平的影响范围比对变形的影响范围更大。开挖面在推进过程中，掌子面前方开挖应力的释放问题较为复杂，位移的延迟发生较明显。

[参考文献]

[1] 周艺.隧道掌子面稳定性分析及其控制研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[2] 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.