大断面公路隧道开挖数值模拟与监测研究

李福献

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

隧道作为交通工程的重要组成部分，众多学者对其进行了广泛的研究［1－3］。砂岩岩体的各向异性特征使其变形和稳定性问题变得十分复杂［4－5］，成为当前国内外学者研究的热点。韩昌瑞等［6］获得横观各向同性弹塑性本构模型，并对隧道进行数值模拟分析，结果与现场监测的围岩破坏特征基本吻合。钟正强等［7］建立了层状岩体隧道开挖计算模型，探讨了倾斜层状岩体中隧道开挖的稳定性。黄书岭等［8］将层状岩体复合材料硬化、软化模型嵌入到FLAC3D，通过单轴和三轴压缩试验模拟出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征。赵大洲等［9］建立了有关岩层倾角、走向的互层岩体本构模型，研究砂、板互层岩体中隧道围岩的力学特性。

随着计算机学科快速发展，数值分析方法在隧道围岩稳定性分析中得到广泛应用。Passaris等［10］利用有限元法研究了层状岩体中隧道顶板的稳定性。Tonon等［11］运用边界元法对弹性各向异性的隧道进行断面收敛影响研究。宫成兵等［12］运用ANSYS对龙头山单向四车道隧道双侧壁导坑法进行二维与三维数值仿真模拟分析。王穗辉等采用优化的B-P网络算法，预测了上海地铁2号线隧道上方的地表沉降趋势。王彦清等［13］采用位移反演分析法对厦门翔安海底隧道变形进行有效预测。

为进一步研究台阶法及CD法施工对大断面公路隧道围岩受力及变形的影响，以大断面砂岩地层公路隧道工程为依托，结合现场试验和数值模拟方法，对不同施工工法条件下大断面公路隧道围岩及支护结构的受力及变形特性进行模拟与监测分析，研究成果可为类似工程提供参考及指导建议。

2 工程概况

连湖隧道为大断面公路隧道，进、出口分别位于重庆市彭水县三义乡、重庆市彭水县连湖镇境内，为左右行分离式双洞特长隧道。左线长4 610 m，里程K41＋573～K46＋183，右线长 4 603.8 m，里程YK41＋597.5～YK46＋201.3。隧道大体垂直构造线方向布设，与岩层走向呈大角度相交，近于垂直岩层走向，隧道最大埋深约549 m。隧址区在山脊一带植被较发育，部分为基岩裸露。隧道出口段为二叠系中统韩家店组砂岩，岩质软，抗风化能力差，层间结合一般，薄层状结构为主。隧道洞身为Ⅲ～Ⅴ级围岩，根据不同围岩情况选择合适的施工工法进行施工，有利于缩短工期及节约成本，本文对左线出口局部段落采用CD法及台阶法进行隧道开挖模拟与监测分析。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型构建

基于数值模拟软件对隧道的施工阶段进行模拟分析。岩体本构采用摩尔－库伦弹塑性模型，模型长100 m、宽120 m，上边界为山体自由面，侧面及底部采用边界位移自动约束。选取混合网格单元划分模型网格，隧道围岩、开挖锚杆支护、喷混和二次衬砌分别采用3D实体单元、植入式桁架单元和板单元进行模拟。分析时通过“钝化”和“激活”相应单元来模拟隧道的开挖与支护，把隧道围岩设置为均质弹塑性材料，其开挖变形服从摩尔－库伦屈服准则。围岩计算参数见表1。

表1 模型计算参数

3.2 两台阶法开挖应力分析

选取里程桩号为LZK5＋200～LZK5＋480的施工段采用两台阶法进行隧道洞室开挖，建立有限元模型进行数值模拟，应力云图见图1。洞室开挖完成后施作二次衬砌，其应力最大值为3.125 MPa，说明二次支护的支撑作用加强了隧道结构的整体稳定性，抑制了围岩变形。从云图可以看出隧道围岩应力的影响范围约为5～20 m，在1.5D（D为洞径）范围以内。整个计算区域隧道围岩和支护结构均为压应力，并未出现拉应力。

图1 两台阶法隧道开挖完成后应力云图

3.3 两台阶法开挖位移分析

图2为两台阶法开挖围岩位移随开挖步的变化关系图。可以看出，竖向最大位移为192.50 mm，水平方向最大位移为168.10 mm；前7个开挖步拱顶沉降和水平收敛的形变位移发展较快，第7至10步位移量缓慢增加，之后逐渐趋于稳定。

图2 两台阶法开挖围岩位移随开挖步变化曲线

3.4 CD法开挖应力分析

对同一里程桩号施工段采用CD法进行隧道洞室开挖模拟，见图3。隧道施工完成后，最大应力值为3.006 MPa，出现在拱脚处。隧道施工搭设的临时支撑移除后，围岩应力场范围及大小仅发生微小变动，表明CD法开挖完成后隧道围岩的应力基本释放完毕，隧道围岩逐渐达到新的平衡状态。CD法开挖临时支撑结构能有效地控制水平方向的变形，模拟施工过程中最大应力为4.071 MPa，发生在拱脚处，整个计算模型均处于受压状态。

图3 CD法隧道开挖完成后应力云图

3.5 CD法开挖位移分析

采用CD法进行隧道施工模拟的拱顶沉降和水平收敛变化见图4。可以看出拱顶下沉最大值为139.07 mm，水平收敛最大位移值为109.15 mm；前11个开挖步拱顶沉降和水平收敛的形变位移发展较快，从第12至第17步位移量缓慢增加，之后逐渐趋于稳定。

图4 CD法隧道位移随开挖步变化曲线

3.6 不同开挖工法模拟结果对比分析

不同开挖工法模拟结果见表2。分析可知：相较于台阶法而言，采用CD法施工时隧道围岩发生的位移较小，拱顶下沉和水平收敛的位移变形量与两台阶法开挖发生的位移变形量相比分别减少了27.8%和34.0%。CD法对控制大断面软弱围岩的变形较台阶法更好，能够保障施工安全，但速度慢，对投资控制不利。在Ⅲ、Ⅳ级等整体稳定性较好的隧道围岩中，常选择台阶法施工，而在Ⅳ、Ⅴ级等稳定性较差的软弱围岩中，根据模拟结果应选择CD法施工。

表2 不同工法施工条件下隧道应力和位移对比

4 现场监测结果与分析

选择在典型断面LZK5＋400处埋设测量元件，在隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间分别埋设8个土压力盒，钢筋计焊接在内外两个土压力盒之间钢拱架的腹板上，在拱顶和拱底设置1个，拱腰设置2个，左、右边墙各1个，仰拱两侧各1个。隧道断面垂向和水平方向的位移变形通过事先埋设的测点利用高精度徕卡全站仪进行动态监测。

4.1 围岩位移分析

图5为断面拱顶下沉和水平收敛变形时程曲线图。可以看出围岩开始变形至稳定状态大致经历了急剧变形、持续增长和缓慢增长三个阶段；拱顶沉降最终稳定值为190.5 mm，水平收敛的最终稳定值为207.2 mm；急剧增长阶段一般发生在洞室开挖的前5 d，此阶段变形量占总体变形量的50%～60%，持续增长阶段为6～8 d，这部分变形占总变形量的30%～40%。

图5 拱顶沉降和水平收敛时程曲线

4.2 拱架轴力分析

图6为断面初期支护监测的拱架轴力随时间变化曲线图。由图6可知，拱架的轴力以受压为主，局部受拉（受压为正，受拉为负），且其拉应力普遍偏小；隧道开挖初期拱架轴力增加较快，到第10天左右达到峰值，之后拱架受力不断减小并在第15天后逐渐趋于稳定；隧道拱顶处钢架所受压应力最大，为32.57 kN，拱底处钢架所受拉应力最大，为－12.37 kN。整体来看，该断面钢架所受轴力量级不大，安全系数相对较高。

图6 拱架轴力时程曲线

4.3 初支-围岩受力监测分析

图7为隧道初支与围岩压力时程曲线图。断面左拱肩处的围岩受力明显大于其他布点处围岩压力，主要是因为该侧岩土体较破碎，密实性差，承载能力较低，且在施工过程中该处有局部坍塌，导致围岩受力较大，需加强监控量测工作；围岩与初支接触压力整体呈先增大后减小的规律，前12 d围岩受力增至最大，之后由于仰拱施工增强了整体的支护强度，致使围岩受力逐渐减小，最后趋于稳定。

图7 围岩与初支接触压力时程曲线

图8为二衬围岩压力分布图。从图中可以看出，二衬受力分布大致呈现中间小、两侧大的马鞍型，但左拱肩受力明显较右拱肩大，这是由于隧道洞周两侧围岩受力分布不均匀，有明显偏压所造成。在隧道施工过程中需要加强左半断面的监控工作。

图8 初支与二衬接触压力分布（单位：kPa）

5 结论

（1）采用CD法开挖的隧道拱顶下沉和水平收敛的累计位移变形量相比两台阶法开挖分别减少了27.8%和34.0%。在稳定性较好的Ⅲ、Ⅳ级围岩中，建议采用两台阶预留核心土法施工；在稳定性较差的Ⅴ级围岩段施工时，建议选择围岩变形量较小的CD法施工。

（2）围岩受力急剧增长阶段发生在洞室开挖的前5 d，持续增长阶段一般在6～8 d。模拟台阶法开挖的拱顶下沉和水平收敛位移变形值相比实测值分别减少7.1%和11.8%，较符合实际；而模拟CD法施工时拱顶下沉和水平收敛位移变形值相比实测值分别减少32.9%和41.8%。因此针对本试验段CD法控制围岩变形的能力较好。

（3）隧道围岩整体受力呈先急剧增加后缓慢增加再趋于稳定的规律，二衬受力稳定值分布大致呈现中间小、两侧大的马鞍型分布形状，但左拱肩受力明显较右拱肩大，故隧道施工过程中需加强左半断面的监控量测工作。