木寨岭高应力软岩隧道三台阶法数值模拟

肖光书，陈党辉，郑超

(1.福建路桥建设有限公司，福建 福州 350002；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116)

山岭隧道建设工程随着公路、铁路建设水平的不断提高日益增多。但隧道穿越的地质条件更加复杂，如高地应力软岩大变形问题。该问题十分常见，困扰着许多工程建设者[1−3]。针对该类围岩隧道，国内主要采用三台阶法、CD 法、CRD 法和单/双侧壁导坑法等方法进行施工[4]。不同的施工方法具有不同的特点和适用范围。许多学者通过现场监测和数值模拟等方法对软弱围岩隧道施工工法进行了研究。陈国中[5]等人采用数值模拟方法，得到了CRD 法合理的施工工序，并应用于南华一号隧道进洞施工，有效控制了围岩变形。王茜[6]等人以大坪尾隧道入口段为工程依托，采用数值模拟方法，探讨了不同施工方法应用于小净距隧道穿越断层破碎带时对围岩稳定性的影响。贾晓旭[7]等人以雁口山隧道为研究对象，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对CD 法和台阶法在软弱围岩隧道中的应用效果进行对比，表明：CD 法在位移和应力控制方面，均明显优于台阶法。大多研究成果表明：CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法对围岩变形控制的效果明显。但实际应用中，存在施工缓慢、工序复杂等问题。三台阶法施工具有施工速度快、作业空间大等优点被应用广泛[8]。刘聪[9]等人结合渝黔铁路青冈山隧道，采用了数值分析法，研究了三台阶法增加辅助措施替代CRD 法的可行性。段长高[10]等人采用了数值模拟，分析了不同循环进尺对三台阶法施工大断面浅埋隧道的影响，认为将循环进尺设置在1～1.5 m 较为合理。耿启军[11]等人以蒙华铁路阳城隧道为研究背景，利用有限元软件对三台阶法和微台阶法在砂质黄土隧道中的应用进行了对比，分析结果表明：三台阶法能够更好地控制围岩变形。但在施工过程中，因高地应力软岩大变形的地质条件，导致支护结构易破坏等问题[12−13]。作者以渭武高速公路木寨岭隧道为工程背景，拟对三台阶法进行数值模拟，分析其围岩变形特征，掌握现场围岩变形控制方法，以期为类似软岩大变形隧道施工提供借鉴。

1 工程概况

木寨岭公路隧道穿越漳河与洮河分水岭的木寨岭。隧道采用分离式设计，其中，左线进口里程ZK210+635，出口里程ZK225+861，全长15 226 m；右线进口里程K210+635，出口里程K225+803，全长15 168 m。洞身最大埋深约629.1 m。岩性主要以碳质板岩为主，受构造影响，岩体破碎极易发生大变形。同时，隧址融合构造交汇部位，地应力高度集中，褶皱带活动强烈，近东西走向，断层发育，地质构造类型多样极为复杂，施工难度极大。

选取K214+008～K214+250 为例。该段围岩主要为中风化炭质板岩，灰黑色，薄层状构造。受褶皱影响，节理裂隙较发育，岩体较完整，呈柱状结构。围岩赋存于高地应力中，以水平地应力为主。根据现场勘测资料，围岩强度应力比Rc/σmax均小于4，属于极高地应力区。隧道开挖断面面积约115 m2，属于大断面隧道，最大开挖跨度约13 m，高度约11 m，采用的衬砌结构如图1 所示。

2 现场变形情况及分析

图1 隧道衬砌结构(单位：mm)Fig.1 Lining structure of tunnel (Unit: mm)

隧道开挖后，围岩变形量普遍在500 mm 以上，变形最大可达3 000 mm。软岩大变形引发掌子面失稳坍塌，初支结构侵限破坏等，造成施工安全与施工进度难以保证。通过对现场围岩变形情况的调查发现，隧道掌子面时常处于不稳定状态，表现为掌子面围岩松动掉块，严重时会发生失稳 坍塌。同时，初支结构的开裂破坏多在掌子面位置或距离掌子面不远处，随即发生。该现象产生的原因：①可能是由于掌子面挤出变形过大，减小了掌子面对其周边围岩的空间约束作用，加剧了初期支护结构的受力；②围岩很可能在掌子面出现之前已经发生了较大的变形，从而丧失了自承能力，导致围岩应力重新分布过程中，承载的主体由围岩转变为支护结构，致使支护结构受力过大，出现开裂甚至破坏。由文献[14]可知，在软弱围岩隧道中，围岩的预收敛变形可达到全变形的50%以上，是拱顶坍塌和大变形的主因之一。常规的监测只针对掌子面后方围岩，对掌子面前方围岩变形和掌子面围岩变形的监测较少，无法掌握掌子面前方围岩变形和掌子面围岩变形的具体情况，因而难以制定有针对性的支护措施。数值分析方法作为隧道开挖变形特征分析的主要手段之一，已广泛应用于隧道现场施工模拟，并取得了较好效果。因此，为掌握围岩变形特征，对现场采用三台阶法进行数值模拟。同时，通过与全断面法进行对比，分析三台阶法对围岩变形的影响。

3 数值模型及相关参数

3.1 计算模型

隧道平均埋深约为520 m。为简化计算，建立模型时，取隧道上部埋深40 m，其余埋深影响通过模型边界施加上覆土层自重进行等效考虑。为避免边界约束效应影响数值计算结果，取左、右边界与隧道中心线距离为4 倍的开挖跨径，底部边界与隧道底面的距离为3 倍的开挖跨径，建立模型尺寸为116 m×50 m×90 m。模型总单元数为396 800 个，总节点数为387 729 个。模型四周和底面采用位移边界条件，施加法向位移约束，顶面为自由边界，数值计算中假定围岩服从Mohr-Coulomb 屈服准则。

围岩参数根据木寨岭公路隧道的相关勘察资料和《公路隧道设计规范（JTGD70-2004）》规定进行选取。围岩重度取27.69 kN/m3，弹性模量取5.762 GPa，泊松比取0.34，黏聚力取0.05 MPa，内摩擦角取27.5°。初始高地应力状态的模拟，按照快速应力边界条件法[15]，结合地勘资料，给出最大主应力、最小主应力的线性回归方程和应力方向。在模型前、后、左、右边界，施加大小相等、方向相反的应力，生成的水平地应力如图2 所示。模拟生成的地应力状态与现场实际地应力状态较为接近。

图2 水平地应力云图Fig.2 Cloud map of horizontal in-site stress

3.2 支护结构及施工过程模拟

初支混凝土喷层采用Shell 单元模拟。拱架作用采用等效刚度法进行折算，并加入Shell 单元进行考虑。模拟时，重度取25 kN/m3，弹性模量取50 GPa，泊松比取0.2，厚度取28 cm。径向锚杆、径向小导管均采用Cable 单元进行模拟，弹性模量取210 GPa，单位长度水泥浆黏聚力取2×105，单位长度水泥浆刚度取1.75×107。径向小导管的模拟直径为42 mm，抗拉强度为450 MPa，而径向锚杆的模拟直径为25 mm，抗拉强度为200 MPa。三台阶临时仰拱采用与初支混凝土喷层相同的Shell 单元模拟，并通过共享ID 号实现相互连接，共同受力，不考虑二次衬砌作用。

三台阶法开挖示意图如图3 所示。开挖每循环进尺为2 m，其模拟步骤为：开挖上台阶Ⅰ，施作初期支护①和临时仰拱②；开挖中台阶Ⅱ，施作初期支护③和临时仰拱④；开挖下台阶Ⅲ，施作初期支护⑤和临时仰拱⑥。模拟中，不考虑初期支护的施作时间。为了与三台阶法对隧道开挖变形的影响进行对比分析，采用同样的施工参数对隧道施工全断面开挖进行模拟。模拟中生成的衬砌结构模型如图4 所示。

4 数值模拟结果

4.1 围岩变形分析

为研究三台阶法开挖对围岩变形的影响，在模型中部y=26 m 断面处，拱顶、拱腰和掌子面的位置布设监测点，得到全断面开挖和三台阶开挖的拱顶沉降、水平变形随开挖步变化曲线和掌子面挤出变形曲线，如图5～7 所示。

4.1.1 隧道拱顶、拱腰变形分析

从图5 中可以看出，全断面开挖隧道时，拱顶最大沉降量为64.22 mm。采用三台阶法，其开挖拱顶的最大沉降量降低至36.37 mm，沉降量减少约43.4%。以沉降变形的突变点作为界定隧道开挖的主要影响范围的依据。全断面开挖时，会对掌子面前方约10 m范围内未开挖土体和掌子面后方约4 m范围内已成形洞室的拱顶沉降变形产生较大的影响。而采用三台阶法施工时，隧道拱顶沉降变形主要受上台阶施工影响。对掌子面前方未开挖土体拱顶沉降的影响范围缩小4 m 左右，相较于全断面开挖时的减小约60%。对掌子面后方已成形洞室的影响范围维持在4 m，中、下台阶施工对拱顶沉降变形的影响较小。

图3 三台阶法开挖示意Fig.3 Schematic diagram of three-bench method

图4 衬砌结构模型Fig.4 The model of lining structure

图5 拱顶沉降随开挖步变化曲线Fig.5 The settlement of the vault during the excavation

图6 水平变形随开挖步变化曲线Fig.6 The horizontal settlement during the excavation

从图6 中可以看出，采用全断面开挖隧道时，拱腰最大水平收敛量为48.81 mm；采用三台阶法开挖时，最大水平收敛量为33.55 mm，减少了约31.3%。同样，以变形的突变点作为界定掌子面位置处开挖的主要影响范围的依据。全断面开挖时，会对掌子面前方约14 m 范围内未开挖土体和掌子面后方约4 m 范围内已成形洞室的水平变形产生较大的影响。而采用三台阶法开挖时，对于掌子面前方未开挖土体水平变形的主要影响范围，缩小8 m左右，相较于全断面开挖减少约50%，对掌子面后方的主要影响范围维持在4 m。

三台阶法将隧道断面划分为各个小断面进行施工，并采用临时仰拱闭合初期支护。虽然增加了施工步序，围岩受扰动次数增多，但是小断面施工控制了围岩应力的释放过程，加之临时仰拱，增强了初支的承载能力，使得围岩突变变形量和开挖对掌子面前方土体的影响范围显著减小。

隧道开挖后，围岩变形按照发生时与掌子面间的位置关系，可分为掌子面前方的预收敛变形和掌子面后方洞室的收敛变形。以拱顶沉降为例，采用全断面法开挖时，围岩预收敛变形占全变形的82.7%。而采用三台阶法开挖时，这一数值将降低至65.7%。从现场变形控制表明：掌子面前方的预收敛变形在现场难以测得，根据预收敛变形的测量结果，动态调整支护结构参数很难实现。因此，降低预收敛变形在全变形中的占比，将变形发生过程集中于较易控制的掌子面后方的施工过程中，对隧道变形的控制更有利。

虽然采用三台阶法降低了预收敛变形在全变形中的占比，但仍达到了65.7%，很可能诱发掌子面拱顶坍塌和大变形。表明：现场施工需要重视对隧道围岩的超前支护，控制预收敛变形的发生，保护围岩强度。

4.1.2 掌子面挤出变形分析

掌子面挤出变形量指隧道掌子面向已成形洞室内的水平变形，是衡量隧道掌子面稳定的重要指标。根据y=26 m 断面处隧道掌子面中轴线方向上监测点的变形数据，得到掌子面挤出变形量随掌子面高度变化的关系，如图7 所示。

在图7 中，三台阶开挖掌子面挤出变形曲线a,b,c，分别为上台阶刚开挖至y=26 m 断面时、受中台阶开挖扰动后、继续受下台阶开挖扰动后的掌子面挤出变形曲线。

图7 掌子面挤出变形Fig.7 The deformation of the tunnel face

从图7 中可以看出，全断面开挖时，由于受到开挖轮廓线周围岩体的约束作用，掌子面挤出变形曲线呈现出中间大，两边小的分布形态，挤出变形位于中心点位置，最大值为427.47 mm。采用三台阶法开挖时，当上台阶掌子面刚到达监测断面时，掌子面挤出变形最大值位于中台阶顶部，其值为207.19 mm。受中台阶开挖扰动影响之后，掌子面挤出变形最大位置转移至上台阶底部，其值为225.68 mm。较中台阶开挖之前，上台阶挤出变形的最大值增长近25%。然后，受到下台阶开挖扰动的影响，掌子面挤出最大值的位置，虽未发生转移，但进一步增大至233.27 mm，增长幅度较小，约3%。

以掌子面挤出变形的最大值对掌子面变形程度进行评价。采用三台阶法开挖时，掌子面挤出变形减少了45.5%，但变形值仍达到了233.27 mm。隧道掌子面将面临失稳风险，施工时，需要采取充分的掌子面支护措施，以增强掌子面的稳定性。同时，需要注意的是各台阶施工之间的相互扰动作用对掌子面稳定性的影响程度较大。施工过程中，可以通过控制爆破参数，加长台阶等措施，减少扰动造成的不利影响。

4.2 围岩应力状态分析

全断面开挖和三台阶法开挖产生的围岩最大主应力和最小主应力云图，如图8 所示。

从图8 中可以看出，采用全断面开挖时，围岩应力重分布后，产生的最大主应力为20.86 MPa，最小主应力为35.11 MPa；在拱脚位置处，产生应力集中。采用三台阶法开挖时，产生的最大主应力为16.29 MPa，最小主应力为30.34 MPa；临时仰拱的拱脚位置处，产生应力集中；对最大主应力和最小主应力的限制量分别为13.59%、21.91%；可以减小围岩的最大主应力值和最小主应力值。但是，临时仰拱的拱脚位置发生应力集中。因此，施工过程中，需要对临时仰拱的拱脚位置进行补强，以增强拱脚位置的承载能力。

图8 隧道围岩主应力云图Fig.8 The cloud map of principal stress tunnel

5 结论

针对渭武高速公路木寨岭隧道施工过程中围岩变形特征难以掌握的问题，采用三台阶法对现场施工，借助FLAC3D有限差分软件进行数值模拟，通过对围岩变形和围岩应力状态的分析，得出的结论为：

1) 产生的预收敛变形在全变形中的占比超过了50%，是诱发掌子面拱顶坍塌和大变形的主因之一。因此，现场施工需加强围岩超前支护，控制预收敛变形的发生，保护围岩强度。

2) 虽然对掌子面的变形能起到一定限制作用，但掌子面变形仍较大，稳定性难以保证。现场施工时，需要尽量减小各台阶之间的相互扰动，并辅以掌子面锚杆等变形控制措施，以增强掌子面的稳定性。

3) 临时仰拱的拱脚位置会产生应力集中。施工过程中，需对拱脚位置进行适当补强。