软岩隧道不同开挖方法对围岩变形的影响

高玉明

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000)

0 引 言

随着高速铁路的不断建设，各种长、深隧道施工不可避免，软弱围岩是隧道在修建时经常会遇到的一种不良地质。在未开挖之前，软弱围岩一般具有较好的稳定性，但当隧道开挖时，软弱围岩受到扰动，围岩的稳定性就会受到破坏[1-6]。国内对软弱围岩隧道的开挖稳定性进行了很多的研究[7-12]，而研究不同开挖方法对软弱围岩隧道稳定性的影响也具有重要的意义。

1 工程概况

大岐山隧道位于里家寨河的峡谷地带，起点里程为DK599+820，终点里程为DK609+322，正洞长9 502 m，最大埋深约528.5 m。隧道为单洞双线I级铁路隧道，设计行车速度为200 km·h-1，并预留提速至250 km·h-1的条件。隧道区地形陡峻，穿越的地层岩性为寒武系水口群上亚群浅海相砂、页岩和泥盆系下统莲花山滨海相的紫红色碎屑岩，围岩以Ⅲ级至Ⅳ级为主，穿越多条断层(4条断层及6条次级断层)，工程地质条件较差，局部穿越灰岩夹层段，可能涌水涌泥，存在人工平硐、岩爆、软岩大变形等不良地质。

2 不同开挖方法数值模拟

2.1 模型尺寸及参数选取

隧道的断面净高为10.3 m，最大跨度为12.06 m，埋深约10 m，计算模型纵向取3倍的隧道跨度(36 m)，左右两边宽度各取3倍跨度(36 m)，模型沿隧道开挖掘进方向取30 m，每步开挖进尺为3 m。所取模型的尺寸为80 m×30 m×75 m，如图1所示。

图1 有限元软件计算模型

隧道围岩和开挖部分采用德鲁克-普拉格本构模型，开挖时中间的钢支撑和初期支护按弹性材料进行模拟，初期支护采用板单元进行模拟，钢支撑采用1D梁单元进行模拟，不考虑地下水的渗流作用。模型的计算参数如表1所示。

表1 围岩及衬砌的物理力学参数

2.2 施工过程模拟

运用有限元计算软件MIDAS/GTS对该隧道工程进行施工过程的数值模拟[13-14]。为了能够综合考虑隧道施工进尺以及围岩变形的空间效应和时间效应，在计算时每一个计算步模拟一个开挖步，每一步计算施工3 m，台阶法和双侧壁导坑法的施工工序分别见图2、3。

图2 台阶法施工工序

图3 双侧壁导坑法施工工序

台阶法共有13个施工阶段：第1步计算模型的初始应力；第2步开挖隧道的上台阶，掘进进尺为3 m，根据开挖一段、封闭成环一段的原则施工；第3步施工隧道的拱顶以及中间的横撑；第4步开挖隧道的下台阶；第5步施工隧道的仰拱，到此为施工阶段的一个循环，上台阶开挖比下台阶超前3 m[15-17]。

双侧壁导坑法共有21个施工阶段：第1步计算模型的初始应力；第2步开挖①处的土体，开挖进尺为3 m，根据开挖一段、封闭成环一段的原则施工；第3步施作①处的拱墙和内部的钢支撑；第4步开挖②处的土体，开挖进尺为3 m；第5步施作②处的拱墙和内部的钢支撑；第6步开挖③处的土体，开挖进尺为3 m；第7步施作③处的拱墙；第8步开挖④处的土体，开挖进尺为3 m；第9步施作④处的拱墙；第10步开挖⑤处的土体；第11步施作拱顶以及⑤处的钢支撑；第12步开挖⑥处的土体；第13步施作仰拱，至此完成双侧壁导坑法的一个循环，依此循环到开挖结束[18-19]。

台阶法和双侧壁导坑法的计算模型断面见图4、5。

图4 台阶法计算模型断面

图5 双侧壁导坑法计算模型断面

2.3 计算结果分析

2.3.1 围岩位移分析

隧道开挖完成之后，隧道各关键点的位移值如表2所示。台阶法由于上台阶一次开挖完成，拱顶以上的土压力一次释放，因此最大沉降发生在拱顶位置。双侧壁导坑法由于是分块开挖，并且及时施作支撑以及初期支护，因此开挖时围岩关键点的位移值都不大，但由于拱顶下部土体开挖量较大，因此拱顶沉降也最大。

通过对比可以发现，双侧壁导坑法开挖时，隧道围岩的拱顶沉降比台阶法小31.31%，说明在有软弱围岩存在时，双侧壁导坑法比台阶法更能控制围岩的变形。

表2 围岩关键点位移值 mm

台阶法开挖过程中拱顶沉降随开挖步的变化如图6所示。当第1步开挖后，拱顶沉降随即增加，且增加趋势较大；及时进行初期支护并施作钢支撑之后，拱顶沉降量开始下降；下台阶开挖后，拱顶沉降增加了约1 mm，当仰拱施作完成后，拱顶沉降趋于稳定；之后的开挖对拱顶沉降影响较小，最大的拱顶沉降值为13.32 mm。

图6 台阶法拱顶位移值随开挖步变化曲线

图7 双侧壁导坑法随开挖步变化曲线

双侧壁导坑法开挖过程中拱顶沉降随开挖步的变化如图7所示。在第5步开挖之前，拱顶沉降以一种很小的趋势增加，每步增加量约为1 mm；当开挖到第10步，即开挖拱顶以下的土体时，拱顶沉降的增加趋势变大；当拱顶的初期支护和钢支撑施作完成后，拱顶沉降的趋势开始减小；当最后一步开挖完成后，拱顶沉降增加了约1 mm；隧道仰拱施作完成之后，拱顶沉降趋于稳定，之后的每步开挖造成的拱顶沉降的增加量很小，最大的拱顶沉降值为9.14 mm。

双侧壁导坑法对围岩的位移控制效果更好，各个工作面封闭成环时间短，能够尽早为围岩提供支护作用，拱顶沉降的最大值为9.14 mm，小于台阶法的13.32 mm。

2.3.2 应力分析

隧道开挖完成后，初期支护关键点最大、最小主应力如表4所示。双侧壁导坑法和台阶法的拱顶应力均最大，其次是拱肩应力；隧道最大跨度位置处的压应力大于其他各关键点；台阶法最小压应力位于拱脚处，双侧壁导坑法最小压应力位于拱底处；双侧壁导坑法的拉应力和压应力均小于台阶法。

表4 围岩关键点最大、最小主应力 MPa

台阶法拱顶应力随开挖步的变化如图8所示。当开挖到第7步之前，拱顶的拉应力一直比较稳定，保持在0.5～1 MPa之间；当第7步开挖完成之后，隧道围岩的拉应力骤然上升；随后，隧道围岩的拉应力稳定在2 MPa左右，最大拉应力为2.1 MPa。围岩的压应力受开挖的影响较早，当开挖到第6步时，围岩的压应力就出现了显著的增长，当开挖第8步完成之后，围岩的压应力稳定在2.5 MPa左右，最大压应力为2.52 MPa。

图8 台阶法拱顶应力随开挖步变化曲线

双侧壁导坑法拱顶应力随开挖步的变化如图9所示。当开挖到第8步之前，拱顶的拉应力一直稳定在1 MPa以下；当第8步开挖完成之后，拱顶的拉应力突增；第8步开挖完成之后，拉应力的增长趋势逐渐稳定，最大拉应力为1.84 MPa。相比拉应力，压应力的变化趋势较为平缓，处于一种逐渐上升的趋势，当第16步开挖完成之后，压应力的增大趋势下降较为明显，最大压应力为1.48 MPa。

图9 双侧壁导坑法拱顶应力随开挖步变化曲线

双侧壁导坑法的拉应力和压应力受开挖步数影响的程度均小于台阶法，所以双侧壁导坑法相对于台阶法更能有效地控制拱顶应力。

3 结 语

(1)开挖穿越软弱围岩的隧道会对围岩产生较大的影响，采取不同的开挖方式对围岩的位移及应力产生的影响不同。

(2)利用有限元软件MIDAS/GTS对不同开挖方法下隧道开挖的全过程进行数值模拟，总结了围岩的位移和应力随开挖步数的变化规律,得出隧道穿越软弱围岩时围岩的变化趋势。通过这种方法，能够合理选择隧道的开挖方法，在保证隧道围岩安全的前提下减少开挖成本。