散岩堆积体中特大断面公路隧道洞口段合理施工工法研究

戴武　钱志豪　王宗学　张航

摘要：为研究散岩堆积体中隧道洞口段最适宜的开挖方式，文章以火凤山隧道（双线隧道）为工程背景，采用拉格朗日有限差分软件FLAC3D建立土体三维计算模型，对施工期隧道洞口段分别采用三台阶、三台阶预留核心土、三台阶七步法、CD法和CRD法共五种工法进行数值模拟开挖，分析不同施工工法下围岩应力分布及变形规律，提出适用于散岩堆积体地层条件下的隧道洞口段施工工法。研究结果表明：从隧道竖向位移分析得出，五种工法对应的最大位移分别为28.18 cm、25.90 cm、21.43 cm、18.58 cm、14.13 cm;从围岩应力来看，五种工法围岩应力分布规律上并未出现明显区别，只是在量值上有一定差异;随着围岩的不断开挖，隧道埋深逐渐增大，隧道各特征点的最大位移值也不断增大;在掌子面前方一定范围内，即开挖断面还未达到监测断面的部分区域已经产生了一定的变形，但是变形较小;当开挖断面推进到监测断面时，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大，其特点是初期下沉速率很大，而后随离开掌子面的距离变大，其速度逐渐减缓，并趋于稳定，围岩收敛先快速增长后逐渐平稳。

关键词：散岩堆积体;公路隧道;双线隧道;数值模拟

中国分类号：U455.4文献标识码：A

0 引言

近几年，随着国家加大对基础交通建设的投入，工程地质环境也越来越复杂，因此对隧道施工技术也有更高的要求。大变形和塌方现象是在松散堆积体地层施工中经常遇见的安全事故，甚至难以避免，为此有必要针对在散岩堆积体地层条件下的隧道施工技术开展进一步的深入研究，从而为高速公路隧道的安全、快速施工提供重要保障。

作为一个不可回避的工程和科研问题，堆积体的稳定性问题已经得到了许多工程师和学者的关注和广泛研究。高俊宏[1]等在现场充分调绘及地质钻探的基础上，对某工程沿线的堆积体进行成因、病害、物质成分和分布特征的分析;申玉生[2]等为研究覆有厚层松散堆积体且穿越软硬交界面的隧道洞口段动力响应特点和抗减震措施，以飞仙关隧道洞口段为研究对象，采用有限差分软件分别建立隧道围岩渐进式注浆、设置减震缝和全环注浆3种工况，并和无措施情况下隧道衬砌的应力、变形对比，得出最佳抗减震措施;谢亦朋[3]等依托云南省罗打拉隧道，基于Monte-Carlo随机原理，结合数字图像处理技术，建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型，并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制，并在现场进行应用验证。

以上研究都是国内学者从地质特点和力学状态等方面对散岩堆积体的形成机制和失稳模式进行了大量且深入的研究与总结。王星星[4]以厦门北站连接线工程为依托，通过现场分析及结合类似工程经验，提出卸载部分松散体+仰坡浅层注浆+洞内双层大管棚预支护为主体的进洞方案，并针对小净距隧道穿越松散地层提出了针对性的措施;谢贵明[5]根据省道303线南华特长隧道洞口段复杂地质条件，介绍洞口坡面防护、抗滑樁桩基挡墙、套拱加长、开挖工法、超前预支护及初期支护加强等施工关键技术以及发生变形后的加固处治措施;针对塌方量大、塌腔位置未知、塌方体松散的实际情况，郭鹏[6]采用塌方堆积体固结、长管棚超前支护、小导管超前预注浆、开挖采用超前小钢管的施工方法，使隧洞塌方的处理得以顺利解决;王腾华[7]结合西康铁路二线东坪隧道浅埋偏压堆积体段，论述了采取大管棚、洞顶回填等措施确保了施工安全的技术措施;何玉龙[8]基于大圆子隧道，结合地层状况及现有技术经验，采用了双层自进式锚杆安全穿越洞口破碎堆积体的施工方法;唐辉湘[9]等结合工程实际，对松散破碎围岩区隧道施工过程的力学行为进行了深入研究。

由于针对散岩堆积体中隧道施工中究竟采用何种工法最适宜洞口段的开挖方式有很少的研究，鉴于此，本人在前人研究的基础上，采用数值模拟结合依托工程的实际工程地质条件，对常用隧道洞口施工工法进行对比分析，初步提出火凤山隧道散岩堆积体洞口段的适宜性施工工法，提出合理的施工方案，以提高施工效率和安全性。

1 隧道施工过程

1.1 数值模型的建立

本文本构模型采用摩尔-库伦模型，利用有限差分软件 FLAC3D 进行三维数值分析。在模型建立时，考虑隧道开挖对于周边围岩的扰动，因此，建模时山体范围沿隧道纵向取150 m。鉴于围岩影响范围，模型宽度为隧道中轴线向边侧取50 m，模型顶部为自然表面，模型下边界从隧道底部延伸至以下35 m处。

模型网格划分如图1所示，模型上边界为自由面（z轴向上为正），而底面为竖向约束，隧道开挖方向为y轴正方向，模型的四周围岩外边界面为垂直围岩面的法向约束。

1.2 材料参数的选取

按照弹塑性理论来考虑隧道围岩情况，岩体的物理参数主要是依靠土工试验来进行确定，实际工程中常用管棚法及小导管锚杆进行超前加固，而在数值模拟过程中为模拟加固区，通常采用的方法是提高围岩材料参数，参数的取值有时还得根据以往的经验资料或者依靠经验类比的方法来进行确定。具体计算参数如表1所示。

2 计算结果及分析

按照各工法的开挖方案和支护方案，运用有限元软件对该隧道开挖与支护进行模拟计算。主要研究隧道围岩的受力及位移特征，以得到各种工法位移场的相关模拟结果，并讨论了进洞90 m的目标断面的位移变化情况，选取各工法在监测断面90 m处的隧道各点的竖向位移，如下页图2所示。在FLAC3D中，位移的正值代表向右、向上的变形;位移的负值代表向左、向下的变形。运用Origin软件，整理所采集到的数据，绘制拱顶竖向位移变形曲线图，并且在隧道开挖时还对掌子面周围处围岩的变形特征以及周围围岩的受力特征进行了分析。

2.1 隧道周边围岩位移特征

由图2曲线变化规律可知：随着围岩的不断开挖，隧道各特征点的最大位移值也不断增大，在掌子面前方一定范围内，即开挖断面还未达到监测断面的部分区域已经产生了一定的变形，但是变形较小。当开挖断面推进到监测断面时，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大，其特征为初期沉降速率很快，而后随距开挖面的距离愈远，其速率愈渐平缓，并趋于稳定。

将不同特征点的最大位移值制成表2、表3。从表2、表3可知，隧道沉降最大位移位于拱顶，隆起最大位移位于隧道拱底，拱肩与拱腰也存在一定的竖向位移。三台阶法、三台阶预留核心土法与三台阶七步法开挖引起的围岩位移较大，不适宜于隧道的开挖。而由于CD法及CRD法有中隔墙的支撑作用，有利于控制地层变形，对隧道开挖所造成的隧道变形较小，因此火凤山隧道散岩堆积体隧道洞口段宜采用CD法或CRD法进行开挖施工。

2.2 围岩应力特征

由于隧道开挖过程中围岩应力状态以受压为主，故只选取围岩第三主应力（最小主应力）进行分析，结果显示：围岩总体处于受压状态，掌子面应力主要集中在与洞周围岩接触的部位。掌子面围岩应力大致主要集中在隧道两侧拱肩至拱脚处，拱顶压应力最小，其次是拱底。这是因为隧道开挖后，在围岩重分布的过程中，顶板开始沉陷，并出现拉裂纹，顶板中部的裂纹发展并张开，逐渐变松动，石块开始掉落，石块与围岩母体分离，其界面多为拱形，此时垂直压力稳定在一定的数值内，但侧向压力增加，即地层原存在应力沿两侧传递，顶板停止塌落，垂直压力和侧向压力都趋于稳定。这表明：隧道在开挖的过程中，相比于其他位置，隧道顶部更容易出现拉性破坏，而岩石的抗拉性能要比抗压性能要小很多，这就要求隧道在开挖过程中需要多加注意隧道顶部出现的岩体塌落现象，需要及时施加初期支护。随着开挖的不断进行，洞室围岩应力逐渐增大，掌子面后方岩体的应力也随开挖增大。这说明各工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

从围岩应力来看，五种工法在围岩应力分布规律上并未出现明显区别，只是在量值上有一定差异。由于散岩堆积体自承载能力有限，为保持围岩稳定，所以在隧道开挖过程中要及早对隧道进行支护，且开挖对已完成的部分围岩应力状态仍有影响，掌子面附近一定范围内已完成部分的支护结构状态也应留意观察。

2.3 工法比选分析

围岩的自承载能力均不高是散岩堆积体主要的物理力学特性。本文基于火凤山隧道工程，分析了这五种工法施工时隧道围岩的位移和受力特性。要使得隧道在开挖过程中限制住围岩的变形，主要的承载结构势必要由支护结构来承担。从围岩应力来看，五种工法在围岩应力分布规律上并未出现明显區别，只是在量值上有一定差异;从围岩变形规律来看，五种工法的变形规律也类似，只是掌子面划分区域较多的工法（三台阶法，三台阶预留核心土法、三台阶七步法）开挖对隧道掌子面前方围岩的影响范围较大，即在掘进过程中所引起的围岩变形普遍要大，而隧道竖向位移值上，由CRD法和CD法开挖引起的沉降较小。

由于随着隧道开挖距离的增加，隧道的埋深也在增大，因此隧道的变形量也随之持续增大。通过分析数值模拟所计算得到的各施工工法下隧道各特征点围岩位移值及掌子面周围围岩受力特征，可以得出以下结论：（1）从隧道竖向位移分析得出，三台阶法开挖造成的最大位移为28.18 cm;三台阶预留核心土开挖造成的最大位移为25.90 cm;三台阶七步法开挖造成的最大位移为21.43 cm;CD法开挖造成的最大位移为18.58 cm;CRD法开挖造成的最大位移为14.13 cm，由此可以看出，采用CRD工法时要比采用三台阶法产生的拱顶最大竖向位移将近减少50%。（2）从围岩应力来看，五种工法围岩应力分布规律上并未出现明显区别，只是在量值上有一定差异。从以上数值可以看出，隧道在掘进过程中引起的围岩变形较大的施工工法分别为三台阶法、三台阶预留核心土法与三台阶七步法，得出此三种工法不适宜于散岩堆积体山体中进行隧道开挖的结论。而CD法及CRD法有中隔墙的支撑作用，有利于控制地层变形，对隧道开挖所造成的隧道变形较小，因此火凤山隧道散岩堆积体隧道洞口段宜采用CD法或CRD法进行开挖施工。

3 结语

本文通过数值分析的方法，模拟五种不同的开挖工法，计算和分析了在散岩堆积体中施工时隧道围岩的位移、受力特性，得到了如下结论：

（1）随着岩体的不断开挖，隧道埋深逐渐增大，在隧道各特征点处的最大位移值也随之持续增大。在掌子面前方一定范围内，即开挖断面还未达到监测断面的部分区域已经产生了一定的变形，但是变形较小;当开挖断面推进到监测断面时，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大，表现特征为围岩位移变形收敛先快速增长后逐渐平稳，即初期时围岩变形速率很快，而后随距开挖面的距离越远，其速率愈渐变缓，并趋于稳定。

（2）各方法开挖进度下，围岩总体处于受压状态，比较各个开挖进程的主应力云图，可以发现掌子面应力主要集中在与洞周围岩接触的部位。掌子面围岩应力主要集中在隧道两侧拱肩至拱脚范围处。随着开挖的不断进行，洞室围岩应力逐渐增大，掌子面后方岩体的应力也随开挖增大。对于已经开挖完成的部分，围岩应力分布为拱肩至墙脚应力最大，其次为拱顶，底部的应力最小。开挖已完成的部分最大值出现位置与掌子面周边围岩应力最大值出现位置不同，最大值出现在墙脚位置。这说明各工法开挖对已完成开挖的部分围岩应力仍有一定影响。

（3）由于CD法及CRD法有中隔墙的支撑作用，对于控制地层变形有着有利的影响，因此对隧道开挖所造成的隧道变形较小。从围岩应力来看，五种工法围岩应力分布规律上并未出现明显区别，只是在量值上有一定差异，而且差异较小。由此基于火凤山隧道（双线隧道）为工程背景，得出在软岩堆积体中适于隧道洞口段开挖的施工工法为CD法或CRD工法，采用此种工法产生的拱顶最大竖向位移将近要减少50%。采用优选工法施工时进行小循环进尺掘进，洞室的围岩位移将能够得到有效的限制，并且洞室附近围岩的第一、第三主应力以及最大剪应力都会有明显的减少。原因是：虽然散岩堆积体的自稳能力较差，但较小的开挖进尺更容易使围岩发挥出其有限的自承载能力，从而改善初期支护的受力情况，而数值模拟的结果也表明对于围岩压应力，较小的循环进尺对于初期支护和二者的承载情况有很好的改善作用。

参考文献：

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