不同扩挖工法对隧道初期支护安全性的影响分析

向武松

(保利长大工程有限公司，广东 广州 510620)

0 引言

交通运输的快速发展和我国相关土地、交通及环保等规划政策的要求，对已有小断面隧道的运输能力提出了新课题。小断面隧道提升自我运输能力，通常一是在附近新建隧道；二是采用扩大断面的方法[1]。扩挖工法的优点在于可有效快速利用已有的地质资料，节约人力物力；缺点是扩挖围岩将会受到多次扰动，使得隧道围岩稳定性与支护安全性能降低[2]。

现有隧道增大交通运输量的科研内容多数集中于扩挖方式及围岩稳定性的研究，扩挖方式包括周围扩挖、单侧扩挖与双侧扩挖等，围岩稳定性方面主要研究埋深、围岩等级与不良地质等对扩挖隧道稳定性的影响。梁文辉[3]采取矿山法对土质隧道进行扩建，得出相关土质隧道扩挖工艺。赵虎生[4]利用有限元分析法计算扩挖隧道周边收敛及拱顶下沉位移并且得出合理的设计方案。倪迪等[5]研究双侧壁导坑与台阶法两种爆破方案，得出采用双侧壁导坑扩挖更为合理与安全。祝岩[6]对比新建隧道与扩挖隧道施工的难易程度，得出已有隧道扩挖施工更合理。黄俊等[7]将模拟结果与实测数据进行对比分析，得出考虑松动圈后的衬砌结构应力特征变化明显。李海光[8]研究了既有公路隧道扩挖时围岩与初期支护间的相互作用规律。

扩挖隧道由于地质与水文条件等不同，需要动态调整施工方法，一般扩挖工法采用全断面扩挖(较好围岩)与台阶法扩挖(较差围岩)；隧道结构方面的研究一般包括围岩稳定性与支护结构的安全性。

本文工程背景为某小断面隧道扩挖成大断面隧道，利用有限元差分软件FLAC建立全断面扩挖与两台阶扩挖数值模型，针对不同扩挖工法的隧道支护结构进行受力与变形分析，采用混凝土设计原理相关知识与容许应力法计算得出安全系数，评价不同扩挖工法的隧道支护结构的安全性，为小断面隧道扩挖成大断面相关工程的支护结构安全性提供参考。

1 工程概况

某小断面隧道扩挖成大断面隧道工程，其隧道埋深为50m，原有圆形隧道洞直径为4.5m，扩挖变为高8.6m、宽10.0m的隧道。据相关的工程资料，围岩等级为IV级。

全断面扩挖工艺为：整体拆除旧支护→全断面扩挖一次成型→整体初支施作。两台阶扩挖工艺为(上台阶高度4.0m)：拆除上台阶旧支护→上台阶扩挖→上台阶初支施作→拆除下台阶旧支护→下台阶扩挖→下台阶初支施作。

围岩由页岩与石灰岩组成，岩体较为完整，页岩为强风化，石灰岩为中风化。隧道扩挖过程中设置控制点,对隧道相应部位的初期支护受力以及位移进行监测，在模拟过程中主动调整施工方法，确保支护结构的施工安全性。

2 数值模型与计算参数

国内外部分学者认为围岩与初期支护作为一个整体，共同承受围岩压力，而将二次支护作为安全储备。本文主要研究对象为施工阶段的初期支护，故模型中未设置二次支护。

数值模拟设置厚度为32cm的C25喷射混凝土作为初期支护，基于圣维南原理与平面应变问题，隧道影响范围取3～5倍洞直径，建立数值模型为长100m×宽100m×纵1m，隧道埋深50m。围岩采用理想弹塑性实体单元，初支采用弹性壳单元，隧道上部边界自由，左右前后与下部均为法向位移约束，通过提高围岩参数采用实体单元设置围岩加固圈，相关的物理参数取值见表1。模拟原有隧道旧支护一次性拆除(1m的旧支护)；全断面扩挖一次爆破成型，两台阶采取上台阶与下台阶法；施工过程为拆除旧支护，全断面扩挖与上下台阶扩挖。

表1 围岩与初期支护物理力学参数取值

3 隧道初期支护安全性分析

隧道数值模型设置监测点为拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底，小断面隧道与大断面隧道均为对称布置，可取左或右部分进行分析。隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底部位的围岩与初期支护共同变形、共同承担荷载，初期支护的变形与受力可从侧面反映隧道围岩的实际受力与变形情况，所以本文主要从初期支护的内力、最大压应力与变形三个方面分析不同扩挖工法对隧道初期支护结构安全性的影响。

初期支护为壳单元，可将其视为梁进行弹性力学计算，弯矩与轴力可利用混凝土设计原理相关公式计算初期支护安全系数；初期支护最大压应力可利用容许应力法计算初期支护安全系数；围岩与初期支护共同变形，两者协同变形，初期支护变形大小就可以得出围岩的实际情况，初期支护位移表现为水平挤入、顶部沉降与底部隆起。

通过查阅国内外学者的相关研究文献，了解到隧道采取不同扩挖工法将导致支护结构安全性存在差异。本文利用安全系数与允许变形两指标对施工阶段初期支护的安全性进行评价。

3.1 不同扩挖工法下初支的内力

随着隧道扩挖施工的进行，初期支护受力特性也在发生相应变化，本文选取拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底等部位进行分析。图1(a)(b)分别为不同扩挖工法的初支轴力与弯矩模拟结果(初支结构左半边Nx为轴力，单位为N；右半边Mx为弯矩，单位为N·m)。

图1 初支轴力与弯矩模拟结果

表2 不同扩挖工法的监测点轴力与弯矩

分析不同工法下衬砌的轴力与弯矩，得出：

(1)不同扩挖工法的初支轴力均为压力，轴力峰值均出现于拱腰处，而拱底轴力最小；两台阶法扩挖的各部位轴力相较于全断面愈小；不同扩挖工法的初支弯矩峰值均出现于拱脚处，两台阶法扩挖的弯矩峰值小于全断面扩挖。

(2)轴力均为压力说明初支整体受压，主要破坏形式也表现为受压破坏，可利用材料抗压性能对初期支护是否受压破坏进行判定；初支弯矩峰值出现于拱脚处，是因为拱脚处剪应力最大且作用力方向反向，表明初支在拱脚处易发生剪切破坏，可利用材料抗剪性能对初期支护是否受剪破坏进行判定。

(3)对比两台阶法扩挖，全断面的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底初支轴力分别增大81%、30%、16%、12%与76%；两台阶法扩挖的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底初支弯矩分别为全断面的11%、83%、67%、94%与555%。

3.2 不同扩挖工法下初支的最大压应力

由于初支整体受压，可对拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底等部位的最大压应力进行分析，模拟数值结果云图如图2所示。

分析不同扩挖工法的初支最大压应力得出：

(1)不同扩挖工法的最大压应力峰值均出现在拱腰处，最大压应力的最小值均出现于拱底。整个初支结构主要受压应力作用，对其进行施工阶段安全评估主要从抗压性能进行评价，可能出现抗压破坏。如出现拉应力，由于混凝土基本不受拉非常容易受拉破坏，应尽可能调整支护措施，让围岩与初支共同受压。

(2)两台阶法扩挖的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚与拱底初支最大压应力为2.77 MPa、5.50MPa、11.20 MPa、9.98 MPa与2.16 MPa；而全断面扩挖相应部位最大压应力为5.03 MPa、7.27 MPa、12.97 MPa、11.12 MPa与3.80 MPa。可见，全断面扩挖初支各部位最大压应力明显大于两台阶法，原因在于全断面一次成形，围岩承担较小荷载，施工期间的初支承担荷载变大，符合复合型衬砌支护的要求。

3.3 不同扩挖工法下初支的安全系数

初支结构安全系数按两种方法进行计算：一是将初支按混凝土偏心受压构件进行计算(规范法)，二是采用容许应力法进行求解。由于初支受压控制，本文以抗压安全系数为基准进行分析。

图3为不同扩挖工法的初支安全系数(规范法与容许应力法)。

图3 不同扩挖工法的初支安全系数

由图3可知：

(1)从抗压安全系数计算结果进行总体分析，拱腰与拱脚的安全系数较低，最低值均出现于拱腰位置处。若以安全系数2为临界值，利用容许应力法得出全断面扩挖时拱腰安全系数为1.93，初支结构可能不满足安全要求，应动态调整支护结构的参数，确保施工阶段隧道的安全性。

(2)对比规范法与容许应力法计算所得的安全系数结果，不管是全断面扩挖或两台阶扩挖法，利用规范法计算所得的安全系数均大于容许应力法。结合隧道安全问题，可将容许应力法计算抗压安全系数作为主要参考，规范法作为辅助参考，共同评价隧道初支结构的安全性。

(3)对比两台阶法与全断面扩挖的初支抗压安全系数，无论是规范法或容许应力法，两台阶法扩挖对应各部位的安全系数均高于全断面扩挖法，是由于全断面一次成形，围岩变形不充分导致支护结构受力增大，使得安全系数降低。

3.4 不同扩挖工法下初支的总变形

由于隧道围岩与支护结构共同受力、共同变形，那么初支结构的变形量可以较为直观地反映围岩的实际变形，通过初支的总变形也可以判断隧道结构的安全性。

图4 隧道初支总变形(单位：m)

分析不同扩挖工法的隧道初期支护总变形量可知：

(1)两种扩挖工法的总变形峰值均位于拱底位置处，全断面扩挖的拱底总变形为5.4mm，两台阶法扩挖的拱底总变形为4.4mm。从最大变形量角度分析，两台阶法扩挖优于全断面扩挖。

(2)分析两台阶法扩挖与全断面扩挖各部位的总变形，全断面扩挖各部位的总变形量明显高于两台阶法扩挖，最大总变形均发生于拱底处，最小总变形均发生于拱脚处。拱底总变形过大易导致底部隆起破坏，在扩挖期间须注意仰拱施工的动态调整。

3.5 工程应用

针对某大断面扩挖隧道进行布点测量。隧道施工方法采用两台阶法进行扩挖修建，监测项目主要包括初期支护对应位置接触应力与收敛变形，其中初期支护与围岩之间布设预埋土压力计与收敛计，分别进行应力与收敛变形的测量。通过相应的规范公式对实测数据进行处理，得出初期支护应力与变形。实际与模拟结果见表3与表4。

表3 初支应力与变形实际监测结果

表4 初支应力与变形数值模拟结果

将实际监控测量数据与模拟结果进行对比分析，验证数值模拟的可靠性，误差在5%～15%误差范围即可视为满足数值模拟可靠性的要求。对比分析如图5所示。

图5 应力与变形误差分析

通过实际监测数据与模拟结果(压应力与收敛变形)对比分析可知：

(1)无论是压应力还是收敛变形，初期支护对应部位的实际监控量测数据结果均大于模拟结果，主要是由于实际工程地形地质条件复杂多变，数值模拟中并未将未知情况全部考虑，实际工况一般比模拟工况复杂，使得实际数据对比模拟结果更差。但可以通过模拟结果的变形趋势得出初期支护的危险点，模拟结果的变化趋势与实际结果的变化趋势同步。

(2)通过图5误差对比分析可见，压应力与收敛变形的误差均在5%～15%误差范围内，验证了数值模拟结果具有一定的可靠性。

4 结语

在小断面扩挖成大断面隧道的背景下，本文通过数值模拟探究了不同扩挖工法对初支安全性的影响，分析初支内力、最大压应力、总变形结果，评价全断面扩挖和两台阶法扩挖下隧道初支结构的安全性差异，并且分析了实际数据与模拟结果的差异。主要结论：

(1)初支轴力峰值均出现于拱腰处，弯矩峰值均出现于拱脚处，两台阶法扩挖的轴力较于全断面扩挖愈小，拱脚处易发生剪切破坏；最大压应力峰值均出现于拱腰处，全断面扩挖的各部位最大压应力明显大于两台阶法扩挖；从内力与最大压应力角度综合分析，两台阶法扩挖优于全断面扩挖。

(2)拱腰抗压安全系数最低，全断面扩挖的拱腰安全系数小于临界值(容许应力法)，初支不满足安全要求，应动态调整，以确保隧道的安全性；从抗压安全系数角度分析，两台阶法扩挖优于全断面扩挖。

(3)总变形峰值均位于拱底处，全断面扩挖各部位的总变形高于两台阶法扩挖，从总变形角度分析，两台阶法扩挖优于全断面扩挖。

(4)对比实际值，数值模拟结果(压应力与收敛变形)具有一定的可靠性。

(收稿日期：2022-06-10)

AnalysisonInfluenceofDifferentExcavationMethodsonSafetyofTunnelInitialSupport

XIANGWusong

(Poly Changda Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510620，Guangdong， China)

Abstract:The numerical model of a small-section tunnel excavated into a large-section tunnel by the full-section and step method has been established by finite difference software, and three aspects of initial support internal force, maximum compressive stress and total deformation have been selected to explore. By means of normative method and the allowable stress, the safety factor of the initial support has been calculated, and the safety difference of the initial support of the tunnel has been studied from the perspectives of internal force, maximum compressive stress, compressive safety factor, total deformation, and actual data comparison. The results have shown that the excavation of the step method is generally better than the excavation of the full section; the initial support of the arch waist, the arch foot and the arch bottom is less secure.

Keywords:tunnel excavation; numerical simulation; initial support; safety factor