硅质板岩隧道不同施工进尺围岩形变特征分析★

赵世明,李 壮,富丰有,杨志全,王英杰,凤小明，孙 锋

(1.中铁七局集团第三工程有限公司,陕西 西安 710000；2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，云南 昆明 650093)

硅质板岩地层是我国西部地区一种普遍存在的复杂地质软岩体地层，该地层具有层理发育、层间胶结差及遇水易软化等典型特点。隧道施工开挖过程中破坏了原始岩体的应力平衡状态，围岩通过变形重新达到应力平衡状态，不同开挖方式对围岩应力分布及形变区域的影响是不同的。由于在施工过程中既要加快施工进度，又要保证施工安全性，因此研究硅质板岩隧道开挖进尺对围岩及衬砌的应力形变特征分析是具有实际指导意义的。

目前众多学者对隧道开挖工法及进尺对围岩应力分布和形变区域进行研究。李达等[1]提出了针对近圆形隧道开挖过程的时空关系表达式并提出基于现场位移监测数据的参数计算方法。WANG等[2]以穿越南秦岭破碎带某公路隧道为研究目标。结合现场监测结果，分析围岩坍塌机理。雷军等[3]针对隧道穿越地质断层，分析隧道围岩的支护结构受力及形变特征，并基于现场监测结果，修正支护方案，提高隧道施工安全性。许越[4]以大潮高速黄坭权隧道为例,对施工过程中采用的三台阶七步开挖法进行数值模拟分析,评估隧道Ⅴ级围岩开挖过程中隧道力学行为,对开挖过程中开挖进尺、核心土长度、中下台阶间距提出了合理取值。 孙兆远等[5]通过总结柜内大断面隧道施工总结，论述大断面隧道施工技术特点与开挖方法，对隧道开挖方法进行探讨。庄宁等[6]对偏压连拱隧道进行三维有限元分析，结合现场监测数据分析拱顶沉降、围岩塑性区、初衬二衬的应力变化规律得到最优开挖方案。但是前人针对强～中风化硅质板岩小净距大断面隧道开挖进尺选取研究较少，需依托实际案例进一步深入研究强～中风化硅质板岩小净距大断面隧道施工过程中开挖进尺对于围岩应力分布与位移区域的影响。

本文依托旧寨隧道工程，采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，建立数值模拟模型。针对台阶法开挖过程中施工段不同进尺的应力分布特征与位移区域特征，对比实际施工过程中隧道顶拱形变检测数据，获取施工进尺对应力分布及位移区域影响，为后续开挖进尺施工方案优化提供理论基础。

1 工程概况

旧寨隧道为国高网G8012弥勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段(SJ-02标)重要工程，位于云南省玉溪市峨山县境内。旧寨隧道为分离式隧道，隧道区属构造～剥蚀中山地貌，植被发育一般，隧道进口段山坡地形坡度约24°～26°，出口段山坡地形坡度约21°～26°，地形较陡，最大相对高差约375 m。隧道区表层基本为青灰色强风化板岩，下伏基岩主要为青灰色中风化板岩。

如图1所示为隧道衬砌断面图，其中本支护方案适用于Ⅳ级围岩，锚杆按照梅花形布置，沿径向设置，每层14根，各层交错排布，锚杆长3.5 m 。隧道开挖后做初期支护，控制围岩变形预留变形量根据现场监控结果确定，初喷混凝土厚0.25 m为C25混凝土。Ⅳ级围岩隧道采用三台阶七步法开挖，主要施工步骤为：①上弧形导坑开挖;②上导坑拱部衬砌初期支护;③两侧中台阶开挖;④边墙初期支护;⑤核心土开挖;⑥下部开挖;⑦仰拱初期支护。

2 数值分析模型

2.1 隧道三维网格模型

隧道最大埋深为375 m，考虑到网格尺寸及数量对数值模拟精度影响，简化隧道顶部岩层，同时为削弱模型边界的影响，基于圣维南原理，模型边界取隧道近似圆3倍～5倍为宜[7]，由于考虑到Ⅳ级围岩隧道开挖过程中实际进尺较小，掌子面每开挖后即进行喷混初衬。为更符合实际施工中隧道开挖，选取模型为长190 m、宽10 m、高90 m。开挖区域网格加密，隧道喷混初衬采用FLAC3D结构单元中Shell单元构建，锚杆采用Cable单元建立。隧道模型如图2所示。

2.2 模型参数选取

针对FLAC3D有限差分网格计算需求，针对围岩选用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)本构模型,通过现场岩芯取样进行单轴压缩试验[8]，验证岩石力学模拟参数，单轴压缩应力应变关系曲线对比如图3所示，岩石破坏前应力应变曲线可以分为四段即压密阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，数值模拟曲线与实际曲线差异较小，采用Mohr-Coulomb本构具有较高准确度。

由于实验对象为岩石与现场岩体具有差异，根据相关规定[9]选取修正系数0.8进行隧道围岩模拟。C25混凝土在整个模拟过程中用于复现隧道掌子面开挖后初次衬砌，根据文献[10]选取参数具体参数见表1。锚杆模拟参数根据文献[11]并依托现场情况选取，具体参数见表2。

表1 围岩及初衬模拟参数

表2 锚杆模拟计算参数

3 数值模拟分析

3.1 现场监测及模拟数据对比

新奥法隧道施工过程中监测顶拱形变是重要的手段，其目的为保证开挖过程围岩的稳定性，并且为二衬施工提供依据。为验证模拟准确性结合现场实际施工进度与模拟进行对比，基于现场施工进程ZK23+845(Ⅳ级围岩)处开挖支护后拱顶随时间沉降值，选取2020年11月28日～12月6日时间间隔为两天与每一次模拟开挖后隧道拱顶沉降值共12步模拟进行对比分析(见图4)。

由图4对比可知，数值模拟前期与实际情况拱顶沉降量重合度较高，随着隧道的开挖施工，模拟值与实际监测值出现明显差异，但隧道拱顶沉降趋势模拟值与实际施工监测值相同，前期快速变化，中期出现缓慢形变后恢复初始变化速率，后期拱顶形变趋于稳定，拱顶沉降量模拟值与实际检测值最大差异量为12.24%，且模拟值大于实际检测值，因此采用FLAC3D及上述参数模拟旧寨隧道施工过程中拱顶沉降具有较高可信度，可依托FLAC3D进行不同工况下模拟开挖，用于验证不同施工办法在隧道施工中的可行性。

3.2 不同进尺情况下隧道拱顶沉降量分析

采用三台阶带仰拱逐步开挖工法，在确定台阶高度情况下，为研究进尺长度对施工安全及围岩应力应变的影响，建立5组计算工况进行研究，因围岩质量较差采用机械开挖，根据实际情况进尺设置为实际施工进尺的1 m～5 m进行对比模拟。

根据前人研究拱顶沉降量是施工围岩稳定性判别的关键因素[12]，因此对1 m进尺每次开挖拱顶中心进行布置监测点，其他工况监测点位置布置相同，整体隧道开挖后对监测数据进行提取，处理后得到图5为不同进尺拱顶监测位置形变值区间。

对比可知随着开挖进尺的增大，开挖初衬应力释放过程中，拱顶处沉降量增加，且最大沉降点皆位于初始处开挖拱顶中心。但随着施工的进行，小进尺对隧道围岩扰动较多，导致隧道拱顶最小形变量增加，大进尺由于破坏应力平衡区域较大，导致隧道最大拱顶形变量增加，因此需根据围岩强度情况进行选取施工进尺，通过对模拟结果分析可知将施工进尺设置为实际施工2倍时隧道拱顶沉降量较其他进尺差值较小，围岩较为稳定。

3.3 不同进尺情况下隧道剖面应力分析

提取不同进尺开挖结束后最大主应力云图，如图6所示。通过隧道剖面应力云图可知小净距大断面隧道在埋深且无偏应力情况下隧道开挖后同断面应力分布相同。

当隧道进尺为1 m时，隧道最大主应力分布集中隧道进口第一次开挖处，应力集中区域边界线呈对数曲线形态，随着开挖进尺的加大，隧道剖面最大主应力集中区域变厚加深且主应力增加。当开挖进尺达到4 m后出口处最大主应力分布区域增加。当施工进尺达到5 m时隧道最大主应力集中区呈现两端集中中部减少情况，隧道围岩应力分布不均，对围岩稳定性影响较大。因此通过隧道剖面最大主应力分析，优化施工方案进尺应在4 m以下。

3.4 不同进尺情况隧道拱顶沉降区域分析

在隧道施工过程中开挖后立即进行初衬喷混支护，随着开挖的进行初衬会随着围岩形变发生变形，初衬形变量可作为隧道形变量及开挖过程中围岩稳定情况的重要分析参数之一。如图7所示为三维数值模型在全部按步骤以不同进尺开挖后初衬及锚杆形变云图，分析可得随着施工的进行，隧道初衬形变区域范围与开挖进尺存在正相关关系。小进尺开挖随多次开挖扰动围岩但其最大形变区域多集中于开挖初期。大进尺情况下导致开挖后应力释放区域增大同时导致拱顶形变区域增加。

4 结论

本文以实际工程案例为分析研究对象，采用FLAC3D有限差分软件对硅质板岩小净距隧道不同开挖进尺下5种工况进行数值模拟分析，对比不同进尺情况下拱顶沉降、围岩应力及衬砌形变区域得到主要结论如下：

1)小净距大断面隧道施工开挖过程中，进尺对拱顶沉降存在影响，当进尺较小时对围岩扰动较多，导致围岩拱顶最小沉降量增加，当进尺较大时应力释放区域增大，导致隧道拱顶最大形变量增加。选取开挖进尺需考虑围岩情况，确定合理范围。

2)开挖区域初衬形变区域受开挖进尺影响，进尺较小时单次应力释放区域较小，拱顶形变较为集中。进尺较大时单次应力释放区域增加，固定长度内形变分布均匀。为保证初衬安全性开挖进尺不宜过小。

3)围岩拱顶应力随开挖进尺增加增大，分布趋向无规律化。开挖进尺过大导致两端应力集中中部应力较小，不利于围岩稳定。

4)综合考虑隧道施工速率、质量、形变、应力场分布等因素，经分析小净距硅质板岩隧道施工步距可提升，进行优化施工，加快施工进度。