基于遍布节理模型的超大断面隧道开挖优化研究

黄金花　朱孟龙

摘要：为优化节理发育岩体条件下超大断面隧道开挖方法，文章以天峨至北海公路（巴马至平果段）山贡隧道为工程依托，通过引入遍布节理模型开展隧道开挖过程数值分析，并建立0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m共6种中隔壁法循环开挖进尺数值模拟工况，从围岩变形及塑性区分布的角度分析循环开挖进尺对围岩稳定性的影响。结果表明，当循环开挖进尺>2 m时，进尺的增加会导致围岩稳定性快速降低，据此确定了山贡隧道交叉中隔壁法开挖的最优循环开挖进尺为2 m。

关键词：隧道;超大断面;遍布节理模型;数值模拟;开挖优化

中国分类号：U455.4

0引言

随着科技水平的发展以及隧道建设行业数十年的积累，我国已成为世界上公路隧道规模最大、数量最多、发展速度最快的国家[1]。随着人民的出行需求进一步提高，公路隧道建设的断面也越来越大，大断面乃至超大断面的公路隧道工程大量涌现[2]。同时，伴随着我国对地下空间的深入开发，超大断面公路隧道的修建数量仍将长期处于上升趋势[3]。

随着工程数量的增加，我国在超大断面公路隧道修建技术上也积累了一定的经验。目前，大断面公路隧道的开挖方法主要有台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等。为适应不同的施工条件，大量学者通过不同的方式对传统开挖方法的改进与优化开展了研究。宋曙光等[4]对超大断面隧道台阶法施工过程的力学效应开展研究，对台阶法开挖的台阶高度进行了优化;张俊儒等[5]在岩石三轴压缩试验的基础上，提出主动支护的钢架岩墙组合支撑法并通过数值模拟对其进行了优化;夏才初等[6]基于现场监控量测结果对大断面小净距隧道的支护系统变形与受力特征进行分析，提出了支护体系的优化方案;谢东武[7]通过对特大断面大跨隧道的围岩和支护结构的力学特征进行了深入分析，得出了核心岩柱的最优宽度。除此之外，还有大量学者基于不同的工程背景对超大断面隧道的开挖工法进行了优化研究[8-12]。

从上述研究的开展可以看出，当前针对超大断面隧道施工大多从围岩破碎状态、隧道埋深范围出发对开挖方法及支护结构进行优化，极少考虑隧道围岩的节理裂隙发育程度，而岩体的稳定状态是受结构面控制的，未考虑结构面状态的工法优化分析结果显然是缺乏合理性的。因此，本文以实际工程为依托，采用数值模拟技术并引入遍布节理模型以表征岩体的节理、裂隙发育状态，对超大断面隧道开挖方法进行优化，为工程现场的安全、快速施工提供保障。

1工程概况

拟建天峨至北海公路（巴马至平果段）山贡隧道位于马山县永州镇山贡屯东南侧约 0.6 km 处，为越岭隧道。隧道区属构造剥蚀丘陵地貌，山体连绵，地形起伏较大，地形地貌主要受地层岩性及地质构造控制。隧道平均埋深约为60 m，属浅埋隧道，围岩以薄层状强风化泥质粉砂岩为主，局部夹砂岩，岩石节理、裂隙发育，岩体多呈破碎状，围岩级别以Ⅴ级为主。山贡隧道最大开挖跨径为18.44 m，最大开挖面积为187.19 m 2，属超大断面隧道。隧道开挖断面如图1所示。

2工法优化路径

目前隧道施工中常用的基本开挖方法有全断面法、台阶法、CD法、双侧壁导坑法等。其中台阶法根据台阶数量、是否预留核心土等因素又衍生出多种开挖方法;CD法根据是否做横隔板又分为中隔壁法与交叉中隔壁法等。各种开挖方法的适用条件不同，且各有其优缺点（见表1）。

根据山贡隧道浅埋、大断面的特点，初步选定三台阶七步法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法三种开挖方法，如图2所示。通过数值模拟进行开挖过程分析以确定最合理开挖方法，并在确定开挖方法后，对开挖进尺进行优化。优化方案及工况设置如图3所示。

3数值计算模型

3.1数值模型

本文以围岩破碎、节理发育的ZK77+280 ～ ZK77+360区段作为研究对象，采用FLAC3D软件建立三维数值模型，模型高度为100 m，根据隧道埋深，隧道上部岩体高60 m，不考虑边界影响;考虑到隧道开挖的边界效应，模型宽度取7倍洞径，共120 m，以隧道中轴线划分，左右各60 m，纵向长度80 m，模型整体尺寸为100 m×120 m×80 m（高×宽×纵深），如图4所示。边界条件采用速度边界，上边界设置为自由边界，下边界为固定边界，约束其在X、Y、Z三个方向的速度为0，其余边界均约束其法向速度为0。在模型中设置4个监测点，分别位于拱顶、左右拱腰、仰拱处，用于监测拱顶沉降、拱腰收敛、仰拱隆起变形。监测断面设置在ZK77+320，即Y=40处。

为对比不同开挖方式对隧道施工的影响，分别建立了三台阶七步法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法三种开挖工况，如图5所示。隧道围岩采用实体单元zone模拟，初期支护、临时支护均采用shell单元模拟，锚杆采用cable单元模拟。

3.2本构模型及围岩力学参数

为反映山贡隧道节理、裂隙发育的围岩状态，采用遍布节理（Ubiquitous-Joint Model）本构模型。关于遍布节理模型的理论基础，以往的研究已作了充分的说明[13-15]，此处不再赘述。应用遍布节理本构模型时需输入节理参数，包括节理倾向、倾角、粘聚力、摩擦角等。根据地勘报告，研究区段内主要为第三组节理发育，其倾向为Jdip=17、Jdd=42，节理粘聚力Jc按文献[16]的方法，取完整岩体的1%，节理摩擦角取完整岩体的摩擦角。初期支护取钢拱架折算之后的参数，模拟过程不施作二衬，具体参数取值见表2～4。

4结果分析

4.1开挖方法

对工况1、工况2、工况3运行計算，提取模型Y=40 m处的地表沉降数据，绘制地表沉降与隧道中轴线距离的关系曲线，如图6所示。从图6中可以看出，三种工况条件下隧道开挖所引起的地表沉降特征一致，地表沉降值随着与中轴线距离的减小而增加，在隧道中轴线附近达到峰值。对比三种工况的最终地表沉降值，工况1最大，为33.7 mm，工况2最小，为25.8 mm，工况3居中，为30.7 mm。

塑性区是判断围岩稳定性的重要因素，本文分别对三个工况模型Y=40 m断面进行切片处理，得到的塑性区分布如图7所示。可以看出，三种工况条件下围岩塑性区均从隧道洞室向周边扩展，呈现出一致性。但在断面塑性区面积上，显然是工况2最小，这也和提取得到的地表沉降结果相吻合。

切片观察能较为直观地看到特定断面的围岩塑性区分布情况，方便对目标断面展开分析，而隧道开挖过程中围岩的整体塑性区分布对围岩及支护结构有着至关重要的影响。因此，为获取三维岩体的塑性区发育状态，通过在FLAC3D软件中用fish语言编程实现三维岩体模型塑性区体积的自动计算，计算得到工况1、工况2、工况3在隧道开挖贯通后的塑性区体积分别为154 417.6 m 3、49 470.0 m 3、81 913.9 m 3，由此可以判斷，采用工况2（即交叉中隔壁法）开挖不仅有利于控制地表沉降，更有利于围岩的整体稳定性。

4.2循环开挖进尺

在工况2开挖方法的基础上，通过设置不同循环开挖进尺以研究山贡隧道合理的循环开挖进尺。分别设置循环开挖进尺为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m共六个工况，工况序号为4～9。循环开挖模型如图8所示。

围岩变形是反映隧道施工稳定性的最主要因素，通过切片处理得到各工况条件下，监测断面Y=40 m处的变形云图，如图9所示。

从围岩变形云图中可以看出，工况4～9条件下围岩最终变形呈现出一致性，其变形最大值均处于拱顶处。由于中隔壁的存在，拱顶中轴线位置处位移较小，中隔壁起到了良好的控制变形作用。同样的，临时横撑也有效减小了围岩的水平收敛变形。为定量分析循环开挖进尺对围岩变形的影响，提取断面监测结果并汇总，见表5。

通常来说，隧道开挖引起的围岩变形应随着循环开挖进尺的增加而增加，表5中的数据也呈现出此趋势。在工况9（即循环开挖进尺3.0 m）条件下，监测断面的拱顶下沉、拱腰收敛、仰拱隆起值均为最大，分别为37.0 mm、20.6 mm、22.5 mm，说明较小的循环开挖进尺更有利于控制围岩变形与支护结构的稳定。然而，由于隧道施工工期条件与经济性因素的制约，往往需要在施工进度与施工安全之间找到较好的平衡点，而不能一味地缩短开挖进尺以最大限度地保证围岩的稳定性。

为了更直观地展现循环开挖进尺对围岩变形的影响，以隧道开挖轮廓线为基准，根据提取得到的拱顶下沉、拱腰收敛、仰拱隆起变形结果，绘制不同循环开挖进尺条件下的围岩变形图。由于循环开挖进尺对围岩变形的影响值相对隧道轮廓较小，绘制时人为地将变形结果放大50倍以便于研究分析，如图10所示。

图10为表5数据的直观展示，同样可以看出，随着循环开挖进尺的增加，围岩变形也随之增加。循环开挖进尺对拱顶沉降变形的影响较大，对周边收敛的影响相对较小。当循环开挖进尺≤1.5 m时，进尺的改变对围岩变形影响较小;而在循环进尺>2.0 m后，开挖进尺的增加对围岩变形的影响显著增大。

由上述分析可知，当循环开挖进尺>2 m后，围岩的稳定性会显著下降，因此，利用上文编写的fish语言分别计算工况4～9隧道开挖完成后围岩的塑性区体积，以进一步说明循环开挖对围岩稳定性的影响。各工况塑性区体积计算结果如表6所示，根据计算结果绘制折线图，如图11所示。

表6中塑性区体积随循环开挖进尺增加而增加，与开挖进尺对围岩变形的影响一致，这也说明围岩变形的增加与围岩稳定性的降低相对应。图11中，工况4～7分别对应循环开挖进尺0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，循环开挖进尺的增加对模型塑性区体积的影响较小，循环开挖进尺每增加0.5 m，塑性区体积的增加比率分别为8.3%、10.7%、14.8%;当循环开挖进尺>2 m（工况8、工况9）后，循环开挖进尺的增加对模型塑性区体积的影响显著，循环开挖进尺每增加0.5 m，塑性区体积的增加比率分别为25.5%、29.1%，循环开挖进尺的增加对围岩整体的稳定性有明显的影响。因此，考虑到施工进度及围岩稳定性两方面的影响，山贡隧道采用2 m的循环开挖进尺施工最为合理。

5结语

本文依托天峨至北海公路（巴马至平果段）山贡隧道开展超大断面隧道开挖优化研究，通过引入遍布节理模型开展隧道开挖过程数值分析，对山贡隧道的开挖方法、循环开挖进尺进行优化研究，主要得到了以下结论：

（1）通过引入遍布节理本构模型建立了节理岩体隧道开挖数值模型，合理确定了倾向、倾角、粘聚力、摩擦角等节理参数，有效提高了节理岩体隧道开挖数值模拟的准确性。

（2）基于山贡隧道设计资料，分别建立三台阶七步法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁法三种隧道开挖数值模型，计算分析不同开挖方法所引起的地表沉降及塑性区分布，确定采用交叉中隔壁法开挖支护更有利于围岩稳定。

（3）模拟多种工况，从围岩变形及塑性区分布的角度分析循环开挖进尺对围岩稳定性的影响。结果表明，当循环开挖进尺>2 m时，进尺的增加导致围岩稳定性快速降低，并据此确定了山贡隧道交叉中隔壁法开挖的最优循环开挖进尺为2 m。

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