既有南岭铁路隧道扩建开挖方法数值分析

丁 广 杨文龙 甄尚维

(1.中国铁路沈阳局集团有限公司建设部，辽宁 沈阳 110001； 2.中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

隧道的扩挖和支护过程是一个极其复杂的围岩应力重分布的过程，不同的隧道扩挖方法将会对围岩产生不同的扰动程度。李元福[1]介绍了成昆线关村坝隧道在不中断运营的条件下扩建施工采用的施工方法，实际工程证明，采用该施工方法进行隧道改扩建是成功的。彭念[2]采用理论分析及数值模拟的方法，将原位扩建分为层层剥皮法和台阶法，利用复变函数理论对两种开挖方法进行了求解，并通过有限元分析软件ANSYS进行数值模拟，分析了两种扩挖方法的围岩应力、位移以及支护结构内力等力学行为；冯广[3]在施工方法、开挖顺序以及开挖高度等方面对依托工程展开了研究，并对围岩和支护结构的受力及变形规律进行了研究；都魏龙等[4]以棚头沟扩建隧道为工程依托，采用数值分析软件对全断面和台阶法两种开挖方法进行了数值模拟，对比分析了两种开挖方法的围岩位移及受力特性。结果表明，采用台阶法不管在控制围岩的位移还是减小初期支护的受力方面都具有一定的优势；郑强[5]以大帽山公路隧道为工程依托，对不同开挖面积、施工顺序及循环进尺等条件下的CD工法进行模拟分析，同时与现场监测结果进行对比，分析了扩建隧道施工过程中的围岩和支护结构受力特性，取得了一定的成果；刘泉声等[6]依托后祠隧道扩建工程，对全断面法、中隔壁法和交叉中隔壁法三种开挖方法进行了模拟，分析了各扩挖方案下隧道位移和应力的变化规律，给出了依托工程最优的施工方案；高强[7]以山西省棚头沟隧道扩建工程为依托，通过理论分析、数值模拟和现场监控量测相结合的方法，对黄土公路隧道扩建工程开挖方法进行了比选，提出了适用于依托工程的扩建开挖方法。

目前既有隧道扩挖方法使用最多的主要有全断面法及台阶法，因此本文针对两种扩挖方法对围岩力学响应规律进行模拟研究。

1 数值计算模型的建立

本文选取依托工程Ⅴ级围岩埋深最大段建立三维计算模型，隧道埋深为22 m。模型横向取80 m，竖向取70 m，均为3倍～5倍洞径，纵向取24 m。建立的三维数值分析模型如图1所示，该模型共有72 072个单元，75 081个节点。隧道扩挖步的荷载释放系数设为0.6和0.4。

依托工程初始隧道宽度5.5 m,高度8.1 m。扩挖后宽度7.15 m，高度9.25 m。因此，本文选用三种不同的扩挖方法：全断面、台阶法(台阶长度6 m)、短台阶法(台阶长度3 m)进行计算分析。在本次模拟中，不考虑超前支护的作用。通过分析各种工况下围岩位移研究不同开挖方法以及不同循环进尺对围岩变形影响规律，寻找最合理的隧道开挖方案。为了便于分析，各扩挖方案均取隧道上台阶开挖至距隧道洞口18 m位置处时的结果。数值模拟中未考虑爆破对围岩的损伤和震动影响。

2 结果分析

2.1 围岩竖向(Z方向)围岩分析

图2为循环进尺为1 m时不同开挖方法对应的隧道轴线位置竖向位移云图。

由图2可以看出，各开挖方法地表沉降呈现为在隧道洞口处位移最大，且沿隧道轴线方向由洞口至掌子面过程中位移逐渐减小的特点。沿隧道轴线方向在洞口位置位移增长较为缓慢，接近掌子面位置位移增长速率达到最大，在掌子面前方位移增长速率又逐渐趋于平缓。这是由于隧道开挖过程中掌子面后方围岩不断受到重复扰动使其竖向位移逐渐增大，当位移增大到一定程度时，围岩由于自身的承载作用使其逐渐趋于稳定状态。全断面法拱顶最大竖向位移为7.3 mm，短台阶法为9.05 mm，台阶法为9.37 mm。相比全断面法，短台阶法拱顶最大竖向位移增长23.97%，台阶法拱顶最大竖向位移增长28.36%。对于地表沉降，短台阶法地表沉降位移较全断面法增长22.18%，台阶法地表沉降位移较全断面法增长25.19%。分析其主要原因是由于采用全断面法开挖能够一次成形，减少对周边围岩的扰动，同时支护结构能够及时封闭，使其和围岩能够共同抵抗围岩的变形。而采用台阶法和短台阶法施工步骤较多，对周边围岩扰动次数较多，而且支护结构封闭不够及时，因此围岩竖向位移相对较大。由于台阶法相比短台阶法台阶长度更长，衬砌封闭成环需要的时间更长，因此台阶法竖向位移稍大于短台阶法。

2.2 围岩水平(X方向)围岩分析

图3为循环进尺为1 m时，不同开挖方法对应的隧道X方向位移云图。

从图3可以看出，各开挖方法隧道X方向位移均位于隧道左右两侧边墙处，呈对称形式布置。全断面法X方向位移最小，最大位移为5.63 mm；短台阶法其次，最大位移为8.22 mm，台阶法X方向位移最大，最大位移为9.26 mm。且台阶长度越长，隧道水平方向位移越大，全断面法水平方向位移明显小于台阶法和短台阶法，其规律与围岩竖向位移类似。其原因同样是因为台阶法支护结构无法及时封闭成环，导致隧道周边围岩缺乏约束而产生较大的变形。

3 结语

本文利用有限元软件Midas对既有南岭隧道不同扩挖方法引起的隧道围岩位移进行分析，得到以下结论：

1)全断面法开挖产生的围岩竖向变形和水平变形最小，但掌子面方向的挤出位移最大。短台阶法和台阶法的围岩竖向变形和水平变形相差不大，但对于掌子面方向的挤出位移，台阶法表现出更大的优势；

2)当扩挖断面较小时，掌子面方向挤出位移较小，建议采用全断面法开挖；若扩挖断面较大或者围岩较软弱时，建议采用台阶法，台阶长度应结合掌子面方向的位移来决定。依托工程隧道扩挖断面较小，全断面法开挖掌子面方向最大位移不足10 mm，因此建议采用全断面开挖。