浅埋彪水岩软岩隧道开挖数值模拟研究

(昆明理工大学,昆明 650500)

1 引言

近20年来，随着我高等级公路或高速公路建设的快速发展，公路隧道的建造取得了迅猛发展，截止2012年，我国已通车公路隧道10 022座，总长度8 053km，长度超过5 000m的已有20多座(不包括在建隧道)[1]。

随着我国公路隧道建造技术的提高，修建的隧道发展趋势逐渐向复杂地质领域扩展。尤其是近年来频出的高等级公路或高速公路建设，出现了一批软弱围岩隧道工程。此类隧道工程修建难度大，工程事故频发，往往成为隧道工程施工的重点控制性工程[2]。对于软岩隧道的施工方法，国内主要采用CD法、CRD法、双侧壁导坑法，其思路是减小开挖断面面积，将大断面分割为几个小断面进行分步施工，以利于隧道围岩的稳定性[3-4]。特别是浅埋、软岩隧道往往成为施工的主要控制工程。

本文以香丽高速彪水岩软岩隧道为研究背景，重点研究其浅埋、彪水岩软岩隧道的工法，以摒弃过于保守或过于冒进的施工方法，探索浅埋、彪水岩软岩隧道的最优工法，具有一定的工程意义，为类似工程提供借鉴。

2 工程地质条件

2.1 工程概况

图1 彪水岩隧道平面位置示意图

彪水岩软岩隧道位于在建的香丽(香格里拉—丽江)高速虎跳峡地下立交公路段，香丽高速公路是云南省平均海拔最高的一条，也是云南第一条进藏区穿越高寒地带的高速公路，虎跳峡立交则是在国内高原山区修建的第一条山区地下立交。主线隧道结构总长2 031m(单洞长度)，B匝2号隧道全长276.413m，主线隧道设计时速80km/h、匝道设计时速60km/h，隧道最大埋深138m。洞身支护结构：按新奥法原理设计，采用初期支护和二次衬砌相结合的复合式衬砌，洞门及主体结构按永久性建筑设计，设计使用年限为100年[3]。主线及匝道内轮廓：仰拱内轮廓的矢跨比在1/6～1/8之间； 主线隧道平曲线最小半径R=1100m，最大纵坡2.73%； 对于车道数大于三车道的隧道内轮廓，SE型深埋超大断面隧道内轮廓扁平率为0.554，最大开挖跨度达28.96m，最大开挖断面面积358.7m2，为Ⅳ级围岩，SC-1型断面为极浅埋软弱围岩段。彪水岩隧道平面位置示意图见图1所示。

2.2 工程地质条件

隧道区海拔高程介于2160～2310m 之间，相对高差约150m，起点里程YK75+314(ZK75+ 305)止点里程YK76+295(Zk76+237)。该段地势相对陡峻，地形起伏较大。隧道右侧约250m处及顶部有土路通过，交通条件相对较差。

根据地质调查、钻探揭露结果，该隧道区段范围内分布地层为第四系坡残积层(Q4dl+el)，下伏基岩为三叠系中统(T2)板岩、灰岩。以上各地层岩层按照工程力学性能并结合工程特征共划分为①～⑥个工程地质单元层(单元层代号与纵断面图对应)，现自上而下分述如下：

①第四系坡残积(Q4dl+el)层粉质帖土：褐黄色，褐灰色，硬塑，局部夹板岩碎石； ②碎石土：呈褐黄色、褐灰色，硬塑，局部夹板岩碎石； ③板岩：呈褐灰、灰黑色，属强风化，岩体较破碎，岩石极软； ④灰岩夹板岩：呈深灰色，强风化，岩体较破碎，卸荷裂隙发育且垂直坡面； ⑤灰岩夹板岩：呈褐灰、深灰色，强、中风化，岩体较完整，岩石较坚硬； ⑥板岩夹灰岩：褐灰色，褐黄色，兰灰色，灰黑色，中风化，局部夹白色透镜体灰岩，岩体较破碎，岩石较软。软弱围岩隧道地质情况如图2所示。

图2 软岩围岩隧道SC-1型典型地质纵断面

3 隧道开挖方案数值模拟

3.1 模型建立

本文选取软岩段长度最长且埋深最浅的的SC-1型断面作为研究对象，SC-1型隧道断面右幅起点段长度105m，右幅终点段长度55m、开挖高度13m， 属V级围岩。

采用mohr-coulomb模型，各层接触面参数由室内剪切实验确定，结果见表4。模型计算范围：隧道拱底取35m、边墙左右各取48.4m，隧道拱顶上覆岩土厚度取至地表约18m，模型按地层从上到下一共分为三层：第一层为16.69m板岩； 二层为11.31m较破碎的灰岩夹板岩； 第三层为45m较完整的灰岩夹板岩。模型尺寸：X=124m、Y=30m、Z=97m， 共18 656个节点和17 265个单元，分析时取开挖至20m的断面作为研究对象。

3.2 主要模拟参数如表1-4所示。3.3 开挖方案数值模拟

浅埋、彪水岩软岩隧道工程施工方案选择关乎工程安全、投资、工期等要素。在对已有同类型隧道开挖方法研究的基础上，选择二台阶预留核心土、

表1 围岩物理力学参数

围岩等级容重(kN/m3)粘聚力(Mpa)内摩擦角泊松比变形模量E(Gpa)侧压力系数V190.12220.391.30.4

表2 SC-1型衬砌主要支护参数

表3 SC-1断面支护结构物理力学参数

单侧壁导坑、双侧壁导坑等开挖方法进行数值模拟，以期确定该类地质条件下合理的开挖方法，预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性[5-6]。

三种施工方法数值模型如图3所示。

3.4 拱脚围岩侧向压力分析

(1)围岩受力分析

三种工法施工过程中的左右拱脚围岩侧向压力曲线如图4所示。

由图4可以看出，拱脚处水平围压从大到小顺序为：二台阶留核心土法→单侧壁导坑法→双侧壁导坑法，最大围压值分别为0.26MPa、0.21MPa、0.13MPa。SC-1型断面围岩为V级、重度为19kN·m-13、隧道开挖高度13m、拱脚处上覆岩土体厚度约18m，根据公式：

q=γh

(1)

可以估算出拱脚处竖向围岩压力0.342MPa，V级围岩侧压力系数取0.4，可推算出侧向围压为0.136MPa，可知单侧壁导坑法和二台阶法施工的侧向围压大于理论计算值，采用这两种工法时，拱脚围岩已进入塑性工作状态，由此推断单侧壁导坑法和二台阶预留核心土法施工不满足安全要求，若要采用这两种方法则需要另外采取加固措施； 而采用双侧壁导坑法时，拱脚侧向围压为0.12MPa，小于理论计算值，围岩处于弹性变形状态，是较为合理的开挖工法。

(a)二台阶预留核心土法

(b)单侧壁导坑

(c)双侧壁导坑图3 隧道开挖方法数值模型示意

表4 各层围岩接触面参数

(a)三种工法的左拱脚侧向围岩压力

(b)三种工法的右侧拱脚侧向围岩压力图4 三种工法施工过程中的左右拱脚围岩侧向压力

(2)围岩沉降对比分析

拱顶围岩最大变形值变化曲线如图5所示。

从图5 可以看出：拱顶最大沉降从大到小顺序为：二台阶预留核心土法→单侧壁导坑法→双侧壁导坑法，双侧壁导坑法开挖拱顶沉降值最小，围岩稳定性最高，相比而言，二台阶预留核心土法施工时，拱顶围岩沉降高达35mm，围岩极易失稳，从围岩变形情况分析，二台阶预留核心土法不适合用于SC-1型浅埋软弱围岩隧道施工。

由以上分析可知：双侧壁导坑法是较为安全合适的开挖方法。而隧道施工现场正是采用该方法进行施工。

图5 三种工法的拱顶围岩沉降

4 现场监测及分析

SC-1型浅软岩段隧道采用双侧壁导坑法施工，监测器材使用振弦式土压力盒，分别测取左右拱脚压力变化值，测点随施工进度分别埋设。待初喷混凝土达到初凝强度后开始测取读数[8]。

实测得到SC-1断面左右拱脚围岩压力分析如图6所示。

(a)左侧拱脚围岩压力

(b)右侧拱脚围岩压力图6 实测SC-1断面拱脚处围岩压力

从图6可以看出：左侧拱脚围岩实测最大围岩压力值为0.14MPa，比公式(1)推算的侧向压力理论值0.136MPa略大。右侧拱脚最大围岩压力值为0.170MPa，略大于理论估算值。根据检测结果可知该断面存在明显的偏压变形。目前该断面尚未发现拱顶开裂、掉块等现象。可预知：两侧拱脚围岩处于弹塑性临界工作状态，为保证围岩的稳定，应加强拱脚注浆，增打锁脚锚杆等措施。

在相应SC-1断面地表进行沉降观测，埋设位置如图7所示[7]。

图7 SC-1断面地表沉降观测点

监测结果如图8所示。

图8 相应SC-1断面地表沉降观测

通过图8的监控结果可知：SC-1型隧道段开挖端口(YK76+289)处最大沉降值为0.81mm，累计总沉降值为5.84mm； YK76+284断面最大沉降值为0.56mm，累计沉降值为3.28mm； YK76+279断面最大沉降值为0.34mm，累计沉降值为1.79mm； YK76+274断面最大沉降值为0.18mm，累计沉降值为0.88mm， 10月29日之后沉降值逐渐收敛。由监测结果可知浅埋软岩段隧道地表最大沉降值主要出现在距离开挖端5m左右地段，随离开里程增加逐渐减小，沉降主要集中在开挖段5m范围内。隧道开挖后，地表出现4mm左右裂缝，最大沉降值达5.84mm，需要加强超前支护措施，毛洞开挖完成后需要及时安装初期支护和二衬。

5 结论

(1)采用传统分部工法中的二台阶预留核心土法和单侧壁导坑法施工时，两种方法拱脚围岩均进入塑性屈服状态、前者初衬濒临破坏，可知这两种工法不适合浅埋彪水岩软岩隧道施工；

(2)数值模拟及现场监测结果表明：浅埋、彪水岩软岩隧道采用双侧导壁法施工方案时，衬砌结构受力良好，能够满足地表沉降要求。在造价预算充足的情况下，是对沉降量有严格要求的工程项目的首选方案； 造价预算不充裕的情况下，也可以采用通过加强单侧导壁工法的支护参数，使其满足浅埋段地表沉降要求。该研究可指导类似隧道工法的选择。