某隧洞超前导洞开挖对围岩稳定及衬砌安全影响分析

张小宝，王 鹏

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

近年来，伴随着科学技术的进步，隧洞建设也逐渐向长距离、大洞径、大埋深的方向发展。隧洞开挖常常需要穿越大面积的软岩地区，其扰动极易诱发软岩大变形等地质灾害[1]。目前针对存在软岩大变形的隧洞，国内外学者提出采用超前导洞法进行施工，并采用数值模拟及现场试验方法开展了大量研究。张梅[2]、何磊[3]、王更峰[4]、武广建[5]等在兰渝铁路木寨岭隧洞及毛羽山隧洞开展了超前导洞现场试验研究，研究发现相比于常规三步台阶法，采用超前导洞法正洞扩挖可以有效地控制大变形的发生，其中，张梅等[2]研究表明采用超前导洞法施工正洞围岩的变形可减小约30%～40%。闫鑫[6]、尤显明7]、李廷春[8]、刘和清[9]等研究了高地应力软岩隧洞超前应力释放变形控制机制。郭小雄[10]等依托兰渝铁路毛羽山隧洞工程，采用数值模拟分析方法，探究了不同导洞宽度对应力释放的效果，得到了最佳导洞宽度。余霖[11]等采用数值模拟方法研究了超前导洞与正洞的位置关系对围岩变形的影响，确定了最佳超前导洞的位置。

从上述研究现状可知，国内外已有诸多学者开展了高地应力软岩隧洞超前导洞法应力释放理论、现场试验及导洞与正洞位置关系等相关研究，并取得了颇多可观成果，可为工程设计及施工提供技术支撑。然而，由于工程赋存环境不同所导致的围岩特征、地应力场分布规律等不同，已有的研究结果在处理具体工程时仅可提供一定的参考，针对具体工程案例，仍需要结合工程资料开展详尽分析，进而比选更为合理可靠的超前导洞开挖与支护顺序与方法。本文以某隧洞工程为研究背景，针对其出现的软岩大变形问题拟选择超前导洞法开挖工序，采用FLAC3D软件从围岩变形、衬砌结构受力及塑性区分布等多角度对比分析不同扩挖方法对隧洞围岩稳定、衬砌结构安全的影响，推荐一种相对更合理的扩挖方案，研究结果可为类似工程超前导洞法正洞扩挖方法提供一定的借鉴。

1 工程概况

本文以某圆形隧洞为研究背景，该隧洞长约5.7km，隧洞直径18m，最大埋深约700m。隧址区构造不发育，仅局部发育次级褶皱。根据开挖情况，隧洞大变形段主要由片岩、绿泥云母片岩组成，岩体完整性差，围岩稳定性差。开挖后拱顶变形严重，施作完成的初期支护出现破坏，致使多次拆换钢拱架，严重影响施工安全和进度。

为了控制围岩大变形，隧洞现场采用了“原位应力释放导洞+双层H20b型钢”进行支护，原位应力释放导洞采用间距为0.6m的H20b型钢拱架，28cm厚C25喷射混凝土作为临时支护，原位应力释放导洞预留变形20cm。释放层施工结束后采用间距为1.5m×1.5m，长4mφ50注浆小导管对释放层进行径向注浆加固。永久支护采用间距为0.6m双层H20b型钢拱架支护，喷射混凝土采用56cm厚C25喷射混凝土。双层钢拱架施工结束后采用间距为1.5m×1.5m，长4mφ50注浆小导管对围岩进行径向注浆加固。二衬拱顶及边墙均采用80cm厚C35钢筋混凝土，拱底采用C20素混凝土进行回填。永久支护第一层钢拱架与围岩之间预留变形为80cm，第一层钢拱架与第二层钢拱架之间预留变形量为40cm。

2 数值模拟及计算参数

2.1 模型建立及边界条件

采用有限差分软件FLAC3D建立隧洞典型断面计算模型，其中洞径18m，地应力分布情况为σx=8.7MPa，σy=σz=6.7MPa，超前导洞开挖半径4m。依据圣维南原理确定影响边界，最终建立宽120m、高120m，沿轴线方向40m的计算模型，具体如图1所示。模型前后左右及底部均施加法向约束，上部施加竖向均布荷载以模拟隧洞上部岩体覆盖作用，在拱顶、拱腰及底部设置节点监测点监测围岩水平变形及纵向变形情况。

图1 计算模型

2.2 围岩和衬砌物理力学计算参数

围岩为绿泥石片岩(Ⅴ级)，属于极软岩，隧超前导洞支护结构采用间距为0.6m的H20b型钢拱架，28cm厚C25喷射混凝土。隧洞主洞支护结构为0.6m间距的双层H20b型钢拱架+56cm厚C25喷射混凝土+80cm厚C35钢筋混凝土二次衬砌+拱底回填C20素混凝土，相关计算参数见表1—2。喷射混凝土及钢筋混凝土采用等效实体单元模拟，钢拱架弹性模量按公式折算进混凝土中，折算计算公式[12]为：

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中，E—折算之后的混凝土弹性模量,GPa;E0、Eg—原混凝土弹性模量和钢拱架弹性模量，GPa;Sg、Sc—钢拱架横截面积和混凝土横截面积,mm2。注浆小导管作为围岩加固考虑，不做单独模拟。

表1 围岩的物理力学参数取值

2.2 超前导洞开挖顺序

由于该隧洞位于极软岩区域，围岩自稳能力较差。一般情况，隧洞在开挖后岩体的自稳时间较短，在开挖后需要及时支护封闭，避免出现围岩失稳的情况，所以选择合适的开挖方法具有极其重要的工程意义[13]，某工程超前导洞开挖方案见表3。

表2 支护结构计算参数

表3 超前导洞4种不同开挖方法

3 不同扩挖方法对围岩稳定的影响

不同正洞扩挖方式必定会对隧洞围岩的位移、塑性区及衬砌结构安全产生不同影响，为了最大程度的减小边界效应对围岩位移、塑性区及衬砌结构受力的影响，本文主要选取距离隧洞断面20m位置处的特征点对围岩位移及塑性区进行对比分析，选取沿y轴方向10～30m的衬砌结构进行对比分析。

3.1 围岩变形分析

将4种不同扩挖方式扩挖完成后引起的隧洞围岩位移的大小进行总结，见表4。图2—3分别给出了4种不同开挖方案下特征点围岩的总竖向位移和水平位移云图。由图2(a)(b)(c)(d)可以看出：水平位移在左拱腰和右拱腰处达到最大，由图3(e)(f)(g)(h)可以看出：竖向位移在拱顶和拱底达到最大。由表4可以得出：采用4种不同扩挖方法开挖时，施工完成后，拱顶沉降较大，分别为59.83、59.41、61.44、62.54mm，由小到大排序为：方案二<方案一<方案三<方案四；拱底隆起最大值分别为：33.55、33.51、34.98、35.06mm，由小到大排序为：方案二<方案一<方案三<方案四；水平收敛最大值位于左拱腰处，分别为39.66、38.15、40.58、40.80mm，由小到大排序为：方案二<方案一<方案三<方案四。由此可知，方案二扩挖方法的总竖向位移及总水平位移收敛值均小于其他3种扩挖方案，这是由于隧洞开挖段的围岩属于极软岩，采用第二种扩挖方法相当于减小了每次隧洞开挖掌子面的面积，各个工作面封闭成环时间段，能够尽早为围岩提供支护作用。同时方案二与其他3种方案相比对围岩的扰动亦减小了很多，可增强隧洞开挖时的围岩稳定，更有效地控制围岩变形。从分析可以看出，方案二优于其他3种正洞扩挖方案。

表4 不同扩挖方案隧洞围岩特征点位移值/mm

图2 不同方案下围岩总水平位移云图

图3 不同方案下围岩总竖向位移云图

3.2 围岩塑性区分析

图4分别给出了4种不同扩挖方法下特征点围岩塑性区云图。方案二的塑性区比其他3种扩挖方案的小。此外，笔者通过采用自编的fish语言命令程序，对围岩塑性区体积进行计算，统计得出4种扩挖方案下围岩塑性区体积分别为：1924、1806、2003、2281。从塑性区体积可以看出：方案二相对于另外3种扩挖方案围岩更加稳定。因此，通过特征点围岩塑性区范围及围岩塑性区体积二者对比分析可知：方案二相比于其他3种方案，更适合于这种大跨度软岩隧洞的开挖。

图4 不同方案下围岩塑性区云图

3.3 二次衬砌结构受力分析

在FLAC3D中，Zone Minimun Principal Stress表示最大主应力，Zone Maximun Principal Stress表示最小主应力。图5—6给出了4方案下扩挖后衬砌结构最大主应力及最小主应力受力云图。从图中可以看出，方案一衬砌结构的最大压应力和最大拉应力分别为18.03、0.644MPa；方案二衬砌结构的最大压应力和最大拉应力分别为16.59、0.345MPa；方案三衬砌结构的最大压应力和最大拉应力分别为22.90、1.099MPa；方案四衬砌结构的最大压应力和最大拉应力分别为27.16、1.972MPa。与方案四全断面扩挖相比，其余3种扩挖方案衬砌结构的受力均有所减小。这表明，分步开挖对改善衬砌结构的受力有一定的效果，其中方案二衬砌结构受力最小，且衬砌结构受力更均匀，故而采用方案二进行开挖更优。

图5 不同方案下衬砌结构最大主应力云图

图6 不同方案下衬砌结构最小主应力云图

综合以上分析，运用FLAC3D对此隧洞在不同扩挖方法下进行数值模拟，综合比较每种扩挖方案围岩变形、围岩塑性区及衬砌结构受力指标，从而确定方案二为超前导洞法扩挖的最佳方案，采用方案二对隧洞围岩稳定产生的影响最小，能保障施工安全。

4 结论

本文采用FLAC3D有限元软件较好的模拟了隧洞超前导洞开挖及支护全过程，分别对4种扩挖方案进行了分析计算，得到了4种扩挖方案下的围岩总竖向位移与总水平位移、围岩塑性区及衬砌结构最大主应力与最小主应力的分布规律。具体结果如下：

(1)从围岩变形角度分析，与其他3种开挖方式比较，方案二开挖后形成的水平位移、竖直位移均较小，说明方案二开挖方式可有效控制围岩变形。

(2)从围岩塑性区角度分析，方案二开挖后发育形成的的塑性区范围与塑性区体积均小于其他3种开挖方式，说明方案二开挖可有效减小围岩扰动。

(3)在相同支护参数下，方案二开挖方式的二次衬砌结构较其他3种开挖方式更不易破坏，可获得较稳定的隧道整体结构。

(4)方案二开挖完成后，洞周位移、围岩塑性区范围以及衬砌结构受力均较小，且具有一定的安全裕度，能够满足隧洞围岩整体稳定要求。