明洞暗作隧道施工过程数值模拟研究

李世峰 何晓然 王文玉

(1.昌邑市屹立建设工程检测有限公司，山东 昌邑 261300； 2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)

0 引言

20世纪50年代新奥法施工的创立，不仅使隧道施工方法得到显著改善，并且成为当前最常用的方法[1-3]。由于隧道开挖前围岩的复杂性和不决定性，需要根据现场勘查情况对隧道当前的状况进行合理的风险分析，制定针对性的支护方案，合理选定支护方法(喷射混凝土、管棚、锚杆、钢拱架及格栅钢架等)，并及时监控量测跟踪围岩和支护结构力学性状，根据实际施工情况调整变更支护方案。刘远明等人[4]利用ANSYS对公路隧道衬砌结构安全性进行了分析，发现隧道荷载的增大，软弱围岩隧道衬砌的最大轴力增幅较大。而针对本隧道明洞暗作施工过程中支护结构的受力性状研究较少。

1 工程概况

某在建铁路隧道全长3 355 m，进口里程DK1070+988，出口里程DK1074+343最大深埋150 m，浅埋深约4 m～10 m。隧道线路穿越低山丘陵，隧道区自然坡度为20°～40°，部分穿越山间凹地，存在较多浅埋段，地形高差大。现选取隧道(DK1073+680～DK1073+725)部分对其进行分析。由于该段右上部为高速公路的隧道弃砟，为碎石土，隧道埋深较浅，且存在轻微偏压，一般情况都会采用明挖法，但是因其开挖量大，对周围环境的破坏较为严重，易诱发山体滑坡，为减少对周围围岩结构的扰动和地表生态环境的破坏，所以在浅埋、偏压隧道的基础上总结提炼了明洞暗作技术。

2 数值模拟分析

采用有限元计算软件ABAQUS对隧道(DK1073+680～DK1073+725)典型断面进行有限元模拟计算[5-7]，隧道埋深4 m～10 m，左右边界计算范围取40 m，模拟台阶开挖方式。

2.1 围岩参数的选取

通过地址勘察报告可知，花岗岩部分全为Ⅴ级围岩，且主要以混合花岗岩为主，灰白色、黄褐色、强风化，主要成分为石英、长石、黑云母等，块状构造，粗中粒结构，节理裂隙发育。计算时围岩参数统一取值，见表1。

表1 围岩有限元模拟计算参数表

2.2 锚杆区围岩的参数选取

隧道(DK1073+680～DK1073+725)部分，注浆采用φ42小导管，t=3.5 mm，L=3.5 m～7 m，间距1.5 m，梅花形布置。注浆压力为0.2 MPa～0.5 MPa，孔隙率以现场试验为准，若无试验资料，可按30%注浆量。临时边坡采用坡率为1∶0.75，永久坡率为1∶1，仰坡采用坡率1∶1。边仰坡采用φ22砂浆锚杆1.5 m×1.5 m(L=3 m)、φ8钢筋网@25 cm×25 cm网喷15 cm混凝土进行临时防护。

根据有关的研究，注浆施工后可将注浆加固区域视为约0.6 m～1.2 m厚的环状加固圈，在此次模拟中，将围岩等级提高到Ⅳ级，见表2，环状加固圈半径为1.0 m。

表2 围岩有限元模拟计算参数表

2.3 初期支护参数

支护方式采用格栅钢架，既可以提高初期支护的强度和刚度，又有一定的吸能让压效果，可减小围岩的收敛，加强围岩的稳定性。同时格栅钢架还是超前支护的支承构件。在数值模拟时，可将格栅钢架强度和混凝土强度折算后统一赋值，如式(1)：

(1)

其中，E为折算后混凝土的弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架截面面积；Eg为钢材弹性模量；Sc为混凝土截面面积。

通过查阅设计资料可以得知，E0=28 GPa，Eg=210 GPa，Sg=48.5 cm2，Sc=1 680 cm2，将参数代入式(1)可以求得E=52.9 GPa，取其泊松比为0.2。

2.4 二次衬砌参数选取

在Ⅳ级和Ⅴ级围岩中，由于岩土体较为破碎，围岩的自稳能力差，因此衬砌往往协助承受围岩的压力，并保持隧道净空面。

此次分析的断面采用的是C35防水钢筋混凝土，具体取值参数，如表3所示。

表3 C35防水钢筋混凝土具体参数

2.5 开挖模拟

支护过程的模拟一般通过强化周围参数来实现，设初期钢拱支护弹性模量为52.9 GPa，二衬混凝土护拱的弹性模量为31.5 GPa，通常情况不考虑它们进入塑性阶段。开挖过程是通过边开挖边支护来实现的，软件通过开挖一部分→添加一部分支护→释放应力→支护→释放应力→支护，来模拟这一过程。通过查阅相关资料，确定应力释放的具体数值分别为：70%，80%。此次模拟通过定义以下分析步，对整个台阶法施工过程进行模拟，具体内容见表4。

表4 整个台阶法施工过程

3 数值模拟结果分析

通过ABAQUS的有限元计算，得到隧道的拱顶沉降、仰拱上仰，边墙水平位移云图，见图1。

由数值模拟结果可知：台阶法开挖隧道支护完成以后，从控制点的横向位移变化情况来看，拱顶水平位移很小分别为0.054 mm和拱底处的横向位移0.060 mm；左拱肩处横向位移为0.189 mm，右拱肩处的水平收敛值为0.070 mm且小于左右边墙处的收敛值0.253 mm与0.152 mm，左右拱脚处的水平收敛为0.094 mm和0.214 mm，介于拱肩及左右边墙之间；从主要控制点的沉降情况，拱肩处沉降最大为 0.957 mm，边墙处的竖向位移为0.839 mm，左右拱脚处沉降为0.554 mm，拱顶沉降为0.346 mm。从模拟结果来看，在明洞暗作法施工时应关注水平差异收敛变形及沉降情况。

4 结论

通过对明洞暗做施工方法的数值模拟可以得出如下结论：

1)软岩隧道台阶法施工时围岩位移变化量随施工步序呈现较大差异性，下台阶施工时的围岩位移量显著高于上台阶；

2)地应力平衡过程中上拱变化明显，基坑开挖后拱顶变化较大。当隧道上台阶开挖支护完成后，上台阶拱顶和拱肩处竖直位移变化不大，拱脚处的水平位移指向洞外；下台阶开挖支护完成后，拱顶沉降与边墙水平收敛位移较大；

3)隧道上台阶施工完成后，围岩主要控制点的变形情况成非对称分布，下台阶施工完成并封闭成环后，围岩应力重分布使变形趋于稳定。

综上所述，软岩隧道开挖时应采取合理的围岩预加固措施，及时施作临时支撑及初期支护，确保洞室围岩开挖的稳定性。