大跨度隧道塌方段施工方案比选*

廖雅倩， 凌同华

(长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114)

隧道跨度增加使高跨比减小，对围岩和支护结构的受力产生不利影响，围岩极易发生失稳甚至坍塌事故。大跨度隧道施工中发生的地质灾害中，塌方较常见。如果在塌方段未选择较好的施工方案，将导致塌方范围进一步扩大，不仅延误工期，而且增加施工成本，选择合理的施工方案对于快速、安全地通过塌方段至关重要。针对隧道开挖，段慧玲等探讨了大跨度深埋隧道合适的开挖方法；邹成路等对施工中常采用的台阶法在开挖高度方面进行了优化；顾洋等采用MIDAS/GTS NX对连续坍塌事故进行分析，在双侧壁导坑法中采取添加临时仰拱的措施防止塌方的发生，保证支护结构的稳定；管新邦基于有限元软件对比分析台阶法、预留核心土法、CD法3种开挖方式，确定台阶法为最优开挖方式；刘利生等为保证隧道施工安全，对倾斜岩层大断面隧道塌方机理进行了模拟分析；左清军等通过隧道变形演化历程和围岩破坏模式分析，提出了塌方处治措施；任和祥对塌方处治措施进行研究，验证了及时支护的重要性。目前，对采用何种施工方案穿越塌体的研究还较少。该文以白阳山隧道为工程背景，利用有限元软件对施工过程进行三维数值模拟，分析上下台阶法、预留核心土法和三台阶法 3种开挖方法下围岩的稳定性，选取最优开挖方案，保证隧道施工安全通过塌方段。

1 工程概况

白阳山隧道是永康至武义公路改建工程中的重点和难点项目之一，为双向六车道分离式隧道。左洞长480 m，为既有老洞，隧道断面采用内套拱加固，新建隧道开挖对老洞不产生扰动；新建右洞长563 m，桩号为YK15+255—818，净高10.5 m，宽16.54 m，属于大跨度隧道，平均埋深40 m。隧址区构造破碎带发育，岩体较破碎，围岩呈镶嵌碎裂结构，自稳能力较差，开挖时易掉块，局部可能有坍塌。

2019年1月21日，右线掌子面开挖至YK15+380时，隧道拱顶部位不断有小块碎石掉落，钢筋网破损且钢拱架发生变形，拱腰部位砼表面多处出现开裂剥落现象。1月27日，拱顶部位出现长6 m、纵深3 m的坍塌洞。为防止塌洞进一步恶化，采用超前小导管注浆加固围岩，封闭掌子面。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用三维有限元计算软件MIDAS/GTS，选取右线YK15+380—400塌方段进行模拟。根据隧道开挖影响范围，结合项目实际情况，模型左右边界约为3倍洞径，下部边界约为3倍洞高，上边界取至地表，尺寸x、y、z分别为120、30、86m(见图1)。由于地形起伏较小，将地表简化为水平面，不考虑偏压作用。计算模型上边界定义为自由边界，其余边界条件均为位移约束。采用Drucker-Prager屈服准则，将围岩视为各向同性材料，忽略表层风化影响，计算中仅考虑岩体自重，地表荷载不计入模型。

图1 数值计算模型剖面图

2.2 计算参数

物理力学参数根据工程地质勘察报告，结合JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》确定。采用植入式桁架单元模拟锚杆；初期支护采用板单元模拟，考虑钢拱架的作用，将钢拱架的弹性模量进行等效计算，折算给初期支护；二次衬砌作为安全储备不予考虑。最终确定的模型力学参数见表1。

表1 模型的物理力学参数

2.3 开挖方案模拟

对上下台阶法(原开挖方案)、预留核心土法和三台阶法3种施工方法进行模拟，分析各开挖方法下围岩应力、位移及应变，通过综合比选，确定最优开挖方法。开挖顺序为分部开挖，逐步支护(见图2)。

图2 3种隧道开挖方法的施工顺序

3 数值模拟结果与分析

3.1 围岩位移分析

隧道开挖过程中，围岩的整体受力情况可通过位移直观反映，故围岩位移是重点控制对象。采用上下台阶法、预留核心土法及三台阶法进行开挖时，隧道竖向和水平位移分别见图3、图4。由图3可知：3种开挖方法中，拱顶和拱底处的竖向位移均很大，施工中应注意对拱顶和拱底处围岩进行变形监测。随着隧道的开挖，临空面的出现让岩体有空间可以产生变形，局部释放地应力，使岩体因卸荷作用而发生位移变化，仰拱和拱顶的临空面与自重应力垂直，故仰拱及拱顶处产生的位移变形量较大。从拱顶竖向位移变化量来看，最大的为上下台阶法，预留核心土法次之，三台阶法最小。相较于上下台阶法，预留核心土法在上台阶开挖时由于保留了一部分核心土，约束了拱顶变形。三台阶法的上台阶开挖范围小于环形开挖部分，避免了拱顶附近一次卸荷过大，对围岩变形的控制效果更好。另外，拱底中心处由开挖引起的底鼓现象比拱顶沉降严重，可能是由仰拱埋深大于拱顶所致。由图4可知：水平方向位移整体不大，隧道两侧水平方向变形大致呈对称分布，位移较大值主要集中在拱腰，且向隧道外侧移动。

图3 隧道竖向位移云图(单位：mm)

图4 隧道水平位移云图(单位：mm)

选取塌方断面y=15 m(YK15+380)对3种开挖方法引起的围岩周边位移进行监测，结果见表2。由表2可知：围岩水平位移变化较小，左右边墙位移量相差甚微，基本呈对称分布。在相同支护条件下，除边墙竖向位移较大外，三台阶法在控制拱顶沉降和拱底隆起方面有较好的效果。三台阶法施工引起的拱顶沉降比预留核心土法小0.74 mm，比上下台阶法小1.97 mm；拱底隆起比预留核心土法小2.01 mm，比上下台阶法小4.56 mm。采用三台阶法开挖对隧道两侧横向变形的影响更小。

表2 塌方断面围岩周边位移值

y=15 m断面竖向和水平位移变化分别见图5、图6。由图5可知：拱顶沉降在3种开挖方案下具有相似的变化规律。第15施工步之前，三台阶法和预留核心土法开挖引起的竖向位移变化曲线基本重合，拱顶竖向位移都很小；随着开挖面向塌方加固区靠近，位移加速增长，第30施工步结束时，位移值基本保持稳定。由图6可知：进行第15施工步时，上下台阶法和预留核心土法的水平位移迅速增长，随着开挖面向前推进，位移增长速率逐渐减小，最后趋于零；三台阶法开挖的水平位移突增点延后至第20步，之后位移值趋于稳定。从最终位移值来看，三台阶法施工优于其他2种方案。

图5 监测断面竖向位移变化曲线

图6 监测断面水平位移变化曲线

3.2 围岩应力分析

围岩应力在隧道开挖后会重新分布，原有平衡状态将被打破，局部应力也会随之增加。不同开挖方法下围岩应力见图7、图8。从图7、图8可看出：应力集中现象出现在隧道拱顶、拱底及两边墙处，施工时要注意对应力集中部位的岩体进行加固，防止围岩发生局部破坏。最大压应力发生在隧道两帮，隧道拱顶处的受力大于拱底。开挖造成的应力集中现象三台阶法缓于上下台阶法。隧道开挖完成后，三台阶法造成的围岩最大垂直应力为2.06 MPa，预留核心土法为3.34 MPa，上下台阶法为3.27 MPa，三台阶法开挖产生的最大垂直压应力比上下台阶法降低37.0%，且上下台阶法开挖会产生小范围的拉应力。三台阶法开挖造成的围岩最大水平应力为1.31 MPa，预留核心土法为1.26 MPa，上下台阶法为2.91 MPa；在隧道拱脚处产生的局部拉应力，三台阶法为0.023 MPa，预留核心土法与三台阶法相差甚微，上下台阶法为0.025 MPa。

图7 隧道竖向应力云图(单位：kN/mm2)

图8 隧道水平应力云图(单位：kN/mm2)

3.3 围岩应变分析

隧道围岩发生破坏时破裂面上的剪应变会发生突变，对剪切应变和主应变进行分析可判断围岩是否破坏。不同开挖方法下围岩应变见图9、图10。从图9、图10可看出：3种开挖方法下应变分布较相似，主应变较大值分布在隧道拱底、拱顶处，在隧道两帮与拱脚部位剪切应变较大。主应变增量关系为上下台阶法>预留核心土法>三台阶法，预留核心土法和上下台阶法的最大主应变相差2.873×10-4，三台阶法的最大主应变比上下台阶法小5.094×10-4。剪切应变增量关系为上下台阶法>三台阶法>预留核心土法，预留核心土法和上下台阶法的最大剪切应变相差8.627×10-4，三台阶法的最大剪切应变比上下台阶法小6.936×10-4。相比之下，三台阶法开挖引起的应变增量较小，更适合于该段隧道施工。

图9 隧道主应变云图

图10 隧道剪切应变云图

4 隧道塌方断面监控量测

为判断塌方段围岩处治后的稳定性，选取YK15+380断面进行分析。该断面拱顶下沉、周边收敛变形监测结果见图11。

由图11可知：塌腔注浆后由于开挖施工，拱顶下沉和周边收敛不断增大，但未超过规范允许值；随着开挖的推进，其值逐渐趋于稳定。说明采用水泥注浆填充空腔的方案有效，围岩变形已基本稳定。现场监测的累计拱顶下沉最大值为11.24 mm，累计周边收敛最大值为3.74 mm。采用数值模拟分析原开挖方案得出的拱顶下沉为10.73 mm，周边收敛为3.68 mm，由于模型作了简化计算，而实际工程条件更复杂，数值计算结果偏小。但两者偏差在合理范围内，说明参数的选取具有一定的可靠性。

图11 隧道拱顶下沉和周边收敛监测结果

5 结论

(1) 整体上围岩水平位移较小，竖向位移在隧道顶、底处最大；监测断面的拱顶沉降，三台阶法比预留核心土法降低7.8%，比上下台阶法降低18.4%，同时在控制拱底隆起及横向变形方面三台阶法优于其他2种方案。

(2) 上下台阶法施工造成的应力集中现象较严重，三台阶法较轻，三台阶法施工引起的最大垂直压应力比上下台阶法降低37.0%，最大水平应力降低54.98%。从应力变化来看，三台阶法优于其他2种施工方案。且由于工作面增加，采用三台阶法还可加快施工进度。

(3) 围岩主应变增量关系为上下台阶法>预留核心土法>三台阶法，剪切应变增量关系为上下台阶法>三台阶法>预留核心土法，三台阶法开挖引起的主应变最小，剪切应变虽大于预留核心土法，但两者相差不大。对于该隧道塌方段的开挖，三台阶法更合适。

(4) 隧道围岩位移在3种开挖方法下表现出相似的规律，即拱顶下沉、仰拱隆起、侧墙向外侧移动。隧道拱顶、拱底和两帮部位应力集中现象较明显，是实际工程的主要控制部位，应采取局部措施进行重点支护，同时加强监测。对比分析开挖过程中围岩位移、应力和应变的变化，三台阶法是通过该隧道塌方段的首选方案。