全断面法和微台阶法对大断面隧道Ⅲ级围岩适用性研究

张传智 侯羿腾 张辉傲 罗刚 袁彬 徐凡献

随着信息化和机械化隧道施工技术的突破和实施，深埋大断面隧道Ⅲ级围岩的创新工法值得深入探讨与研究。文章依托郑万高铁向家湾隧道工程，基于现场调查、隧道施工过程中围岩地质信息编录和岩体力学参数测试，采用Flac3D软件分析了不同开挖方式（全断面与微台阶）及开挖进尺条件下，围岩的变形特征和破坏模式。结果表明，全断面开挖法相比微台阶法更适用于深埋大断面隧道Ⅲ级软弱围岩，拱顶围岩变形较大，但不会出现塌方危险。在全断面开挖工况下，围岩变形量与开挖进尺呈正相关;同时全断面法更可以有效减少对周围岩体的扰动，有利于初期的支护和围岩之间的协调变形。

深埋大断面隧道; Ⅲ级围岩; 开挖; 围岩稳定性; 数值模拟

U455.41+2   A

[定稿日期]2021-03-08

[基金项目]国家自然科学基金（项目编号：41402266，41672283）;国家重点研发计划（项目编号：2018YFC1505404-2）;四川省交通厅科技计划（项目编号：2021YJ0033）

[作者简介]张传智（1993～），男，硕士，研究方向为岩土。

1 长大深埋隧道施工研究

随着铁路工程逐渐由中东部向西部山区转移，长大深埋山岭隧道越来越多，隧道工程设计和施工的要求也越来越高。当隧道穿越软弱破碎岩层、断层破碎带和膨胀性岩层，如果施工方法处理不当，隧道拱顶会出现弯折内鼓，破裂掉块，甚至大面积塌方[1]。

近年来，国内外学者针对不同地质条件及施工方法下的软弱围岩变形机理、控制技术及治理措施开展了大量的研究。张国茂[2]将围岩稳定性影响因素分为两类：一类是地质因素，另一类是人为因素。其中地质因素中包括岩土体结构特征、岩土体工程性质、地质构造、围岩的初始应力状态、地下水的作用等，人为因素包括设计参数、施工因素等。除了围岩本身地质条件、水文条件、初始应力和力学特性，不同开挖方式对围岩稳定性影响十分显著。如何选择合理的开挖方式，尽可能保持岩体的初始状态，从而提高围岩的稳定性是一个非常复杂的问题。夏润禾等[3]对软弱围岩大断面铁路隧道台阶法的原理、适用范围及工艺流程等进行了详细介绍。张民庆等[4]研究了台阶高度和长度对围岩变形的影响。

在隧道实际施工中，如果开挖进尺过短，会增加建设时间和成本;反之，则可能引起隧道掌子面和洞身变形过大。然而实际操作中，施工单位往往根据工程经验来确定开挖进尺，表现出较大的随意性和盲目性。目前，学者通过理论和数值计算方法提出了更合理的开挖进尺。王志达等[5]基于普氏平衡拱理论和太沙基松散介质理论，推导了用于均质土和成层土隧道的开挖进尺计算公式。黄锋和朱合华[6]采用有限元数值模拟软件分析了全断面法不同开挖进尺条件下的围岩及地表位移响应规律。

本文以郑万高铁向家湾隧道为工程实例，采用FLAC3D模拟软件分析了全断面和微台阶开挖工况下Ⅲ级软弱围岩的变形特征和破坏模式，以及开挖进尺对围岩稳定性的影响。该研究对指导软弱围岩隧道安全施工具有实际意义。

2 向家湾隧道地质概况

向家湾隧道是郑万（郑州—万州）高速铁路控制性隧道之一，全长4 563.24 m，最大埋深约1 025 m，隧道采用30 ‰单面上坡，走向240°（图1）。开挖方式为全工序大型机械化和信息化配套全断面法和微台阶法。

隧道穿越地层以缓倾角砂岩、灰岩、碳质页岩为主，层面产状200°～230°∠5°～12°（图2）。

試验段（D2K582+726D2K582+770）埋深610 m，围岩受节理切割，完整性较差，饱和抗压强度界于46～58 MPa，完整性系数界于0.81～0.88。施工过程中围岩无水渗漏，按照BQ法，地下水影响修正系数K1取0.1。控制性结构面主要为岩层面，走向与洞轴线夹角α为130°>60°，倾角β为10°，且岩层面倾向与掘进方向同向，软弱面产状影响修正系数K2取0.2。试验区垂直隧道洞身的最大主应力为4.95 MPa，Rc/σmax约为10，初始应力状态影响修正系数K3取0.5。围岩BQ评分值为352～369（表1），原分级为Ⅲ级软岩，亚分级为Ⅲ2级[7]。3 室内试验

为了分析向家湾隧道Ⅲ级围岩的破坏特征，并为数值模拟提供准确的强度参数参考。在隧道试验段Ⅲ级围岩（D2K582+726 - D2K582+770）内采集灰岩，将其加工成50 mm，高100 mm的标准试样（图3），分别进行点荷载和单轴抗压实验。

在点荷载试验中，对于均一、完整且无明显裂隙的试样，当荷载超过点荷载强度，岩石瞬间开裂，表现为脆性张拉破坏，破裂面整体较平直见图4（a）。对于含有细小裂隙、无贯通性结构面的试样，当荷载超过点荷载强度，先于试块两端产生张拉破坏。裂缝在扩展过程中遇到微小裂隙，将发生剪切滑移，产生不通过加载点的破坏面见图4（b）。对含软弱结构面的试样，垂直于结构面均匀增大荷载加载，试件表面首先产生层裂剥落。在剥落多层之后，岩块变薄，加载点间距变小，岩块沿荷载方向瞬间张拉破坏见图4（c）。

在饱和单轴压缩试验中，试样均发生脆性破坏。与点荷载试验类似，当试样均一无微小裂隙，破坏模式为剪切破坏;当试样含有微小裂隙，破坏模式为张拉和剪切的复合;当试样含有软弱结构面，破坏模式为沿着结构面的张拉破坏（图5）。

汇总实验数据（表2），向家湾隧道试验段灰岩（P1q）的饱和点荷载强度为3.8～5.0 MPa，饱和单轴抗压强度介于30～60 MPa范围内，满足Rc=21.88Is0.74（50）的函数关系，相关系数为0.9716，属于较硬岩。

4 数值模拟

本文采用FLAC3D分别对微台阶法和全断面法条件下，Ⅲ级围岩的应力应变状态和破坏方式进行模拟分析。基于大型机械化配套条件的微台阶法和全断面法有利于缩短工期、降低劳动力强度和提高经济效益，值得深入探索其适用性及实施原则。

4.1 模型建立

选择向家湾隧道D2K582+726.0～ D2K582+770区段灰岩（Ⅲ级围岩）作为模拟对象，构建三维地质模型（图6）。X方向为隧道掘进方向，长度44 m;Y方向垂直于掘进方向，长度96 m;Z方向与重力方向相反，长度700 m。计算模型的前后左右施加法向约束，底部施加竖向约束，上表面为自由表面。根据前期勘察报告和室内试验结果，岩体力学参数如表3所示。拱顶位置布置1个监测点，两侧的拱墙布置4个监测点（图6）。

4.2 开挖方法模拟结果分析

4.2.1 全断面开挖

对全断面法的不同开挖进尺工况（3 m、4 m和5 m）进行数值模拟，得到隧道不同断面围岩的位移云图和塑性区（图7～图10）。

由图7可知，全断面法开挖5 m时，距掌子面5 m处洞身收敛为3.2 mm;开挖4 m时，距掌子面4 m处洞身收敛为1.1 mm;开挖3 m时，离掌子面越远，洞身收敛越大，且洞身水平收敛最大值仅为2.5 mm。

由图8可知，全断面法开挖3 m时，离掌子面越远，拱顶沉降越大，且此时拱顶沉降最大值仅为8.1 mm;开挖4 m时，距掌子面4 m处拱顶沉降仅为12.5 mm;在开挖进尺5 m，距掌子面5 m处拱顶沉降仅为22.3 mm。

由图9可知，全断面法开挖3 m时，掌子面位移最大值仅为8.3 mm;开挖4 m时，掌子面处位移最大值仅为0.5 mm;开挖5 m时，掌子面位移最大值仅为2.3 mm。

結合隧道不同断面围岩的位移云图（图7～图9）以及相应的围岩塑性区云图可得：全断面法开挖3 m时，拱顶处于稳定状态;开挖4 m时，此时拱顶处于较稳定状态;全断面法开挖5 m时，拱顶处于欠稳定状态，如果不及时进行支护，在节理裂隙的切割和岩体自重作用下，可能会发生顶部掉块现象，但是不会出现整体垮塌破坏。

4.2.2 微台阶法开挖

对微台阶法的不同开挖进尺工况（3 m、4 m和5 m）进行数值模拟，得到隧道不同断面围岩的位移云图（图11～图14）。

由图11（a）、图12（a）和图13（a）可知，微台阶法开挖5 m时，距掌子面5 m处变形最大，洞身收敛仅为3.8 mm，拱顶沉降仅为21.2 mm，掌子面位移最大值仅为4.8 mm。结合围岩塑性区分布见图14（a），说明拱顶处于较稳定状态。

由图11（b）、图12（b）和图13（b）可知，微台阶法开挖4 m时，距掌子面4 m处变形最大，洞身收敛仅为3.5 mm，拱顶沉降仅为23.3 mm，掌子面位移最大值仅为5.5 mm。结合围岩塑性区分布见图14（b），说明拱顶处于较稳定状态。

由图11（c）、图12（c）和图13（c）可知，微台阶法开挖3m时，洞身收敛最大值仅为2.2 mm，拱顶沉降最大值仅为8.5 mm，掌子面位移最大值仅为6.2 mm。结合围岩塑性区分布见图14（c），说明拱顶处于稳定状态。

根据不同开挖进尺条件下全断面法与微台阶法的数值模拟结果，得到围岩各方向位移量（表4、图15）。

分析和对比表4和图15，得到如下结论：

（1）对于向家湾隧道Ⅲ级围岩，拱顶位移>掌子面位移>边墙位移;

（2）围岩位移随着开挖进尺增大而增大;

（3）开挖进尺为3 m时，全断面法和微台阶法造成围岩位移差异极小;开挖进尺为4 m和5 m时，全断面法围岩位移大于微台阶法围岩位移，围岩稳定性降低;

（4） 微台阶法预留了底部核心土，有效减少了隧道围岩顶底部变形，但由于2次扰动，边墙和掌子面变形大于全断面法的情况;

（5）全断面施工更有利于初期支护和围岩之间的协调变形，但需要加强对拱顶的监测并及时支护。

5 现场调查

在向家湾隧道试验段（D2K582+726 - D2K582+770）实际施工中，使用了全断面工法开挖Ⅲ级围岩，开挖进尺为5 m。掌子面、拱顶、拱肩、拱脚和仰拱均处于稳定状态（图16），未出现明显破坏现象。

根据向家湾隧道边墙、掌子面、拱顶的实测位移数据（表5和图17），与数值模拟结果较为一致。说明5 m开挖进尺能够保证围岩稳定性。

6 结论

本文通过野外调查、室内试验、理论分析和数值模拟，对不同开挖方式和不同进尺条件下，隧道围岩稳定性进行了研究。得出以下结论：

（1） 向家湾隧道试验段（D2K582+726 - D2K582+770）埋深610 m，开挖断面147 m2，灰岩饱和抗压强度界于46～58 MPa，完整性系数界于0.81～0.88，围岩BQ评分值为352～369，原分级为Ⅲ级软岩，亚分级为Ⅲ2级。

（2） 全断面法和微台阶法条件下，均为围岩拱顶变形量最大;围岩变形量与开挖进尺呈正相关，即开挖进尺越大，围岩变形越大。

（3） 微台阶法预留了底部核心土，有效减少了隧道围岩顶底部变形，但由于二次扰动，边墙和掌子面变形大于全断面法的情况。全断面法有效减少对周围岩体的扰动，有利于初期的支护和围岩之间的协调变形。

（4） 基于大型机械化信息化配套施工技术，全断面开挖适用于Ⅲ级围岩大断面隧道建设。但需进行试验确定最优开挖方法，开展地质综合预测预报，并提高信息化监测的频率和精度。

参考文献

[1] 吴晓， 吴宜进. 基于灰色关联模型的山地城市生态安全动态评价—以重庆市巫山县为例[J]. 长江流域资源与环境， 2014， 23（3）：385-391.

[2] 张国茂. 地铁隧道围岩稳定性影响因素的分析[J]. 科技视界， 2016（10）：199-201.

[3] 夏润禾， 许前顺. 软弱围岩地质大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工工法[J]. 铁道标准设计， 2010（S1）：108-114.

[4] 张民庆， 何志军， 黄鸿健，等. 铁路隧道安全施工几个关键问题的研究与探讨[J]. 铁道工程学报，2013（11）：69-74.

[5] 王志达，龚晓南.浅埋暗挖人行地道开挖进尺的计算方法[J].岩土力学，2010，31（8）：2637-2641.

[6] 黄锋，朱合华.开挖进尺对大断面隧道变形的影响[J].铁道建筑，2013，（8）：56-59.

[7] GB/T 50218 - 2014 工程岩体分级标准[S].

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