德胜隧道进口段软弱围岩施工方案的数值模拟优化

摘要 文章针对德胜隧道进口段软弱围岩施工问题，进行了数值模拟的优化研究。通过建立合适的数值模型，结合现场实测数据，分析了软弱围岩的力学性质和变形特点，提出了一种施工方案的数值模拟优化方法。研究结果表明，该方案能够有效减小施工风险，提高了工程施工效率，可为类似隧道工程的设计和施工提供有益参考。

关键词 德胜隧道；软弱围岩；数值模拟；优化；施工方案

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0161-04

0 引言

德胜隧道进口段的软弱围岩分布广泛，给施工带来严峻挑战。为指导工程建设，该研究通过建立数值模型分析软弱围岩的力学响应，在比较不同施工方案的基础上，提出了一整套效果更优的施工策略。该策略充分考虑了软弱围岩的特性，采取适当的支护与开挖控制，可有效减小变形风险，确保施工安全。

1 背景和问题描述

1.1 德胜隧道项目概况

德胜隧道原名云屯堡隧道，位于成兰铁路镇江关至松潘区间，该标段自松潘县岷江乡岷江村起，至安宏乡德胜堡村止。隧道位于岷江断裂右侧，总体由南向北进行布置。

德胜隧道全长22 923.419m，为双线合修隧道，进口邻近岷江村岷江双线特大桥，距桥台台尾3.92 m，隧道最大埋深约750 m。隧区位于四川盆地与青藏高原东侧的地形急变带，地质构造分属由NE的龙门山褶皱断裂带，NW—近EW向S凸出的西秦岭褶皱断裂带和近SN向的岷江断裂带等组成的川西北“A”字形构造。三条断裂带均为区域活动断裂，均具有强震发震历史，是我国青藏高原东部地区重要的活动断裂带，亦为控制高原边界的断裂带。

德胜隧道包括岩层的岩性、产状、厚度等，为隧道工程提供了宝贵的地质参考信息。隧道穿越了多个地质时代的岩层，涉及不同岩性，如砂岩、页岩、石灰岩等。岩层的倾角和厚度变化较大，反映了地层经历过强烈的构造变动。其中，红色线条标示的断层，揭示此处地壳曾发生过断裂错动。隧道线路与断层多处交汇，区域内往往是地质条件最复杂、施工风险最高的路段。岩层破碎带、高地下水压力、岩爆、坍塌等都可能给隧道建设带来严峻考验。因此，在这些路段施工时须采取超前地质预报、加固支护等措施，以确保施工安全和工程质量。除断层外，德胜隧道岩体的物理力学性质与周围岩层差异较大，在隧道开挖时可能诱发局部应力集中，引起围岩变形破坏，需要工程师予以重视。

1.2 软弱围岩对施工的影响

软弱围岩具有较低的抗压强度和刚度，容易受到外部荷载的影响而发生变形。在隧道施工过程中，地下开挖和支护工程均会导致周围土壤和岩体的变形，可能引发地表沉降和塌陷，对周边建筑和交通造成不利影响。软弱围岩的强度差和变形性质，使得隧道施工中面临着隧道坍塌、顶板下沉等风险[1]。这不仅对施工人员的安全构成威胁，还会导致工程进度延误和额外成本增加。软弱围岩需要采取更加复杂和耗时的支护措施，以确保施工的安全进行，这可能包括钢架支撑、注浆固化等技术，但会相应增加施工的复杂性和成本。

2 方法和模型建立

2.1 软弱围岩力学性质分析

在进行软弱围岩力学性质分析时，该文进行了野外岩芯采集和室内试验，测试了不同岩层的抗压强度，结果如表1所示。野外岩芯采集包括采集不同深度的岩芯样本，以代表软弱围岩的不同层位。室内试验则包括岩石抗压强度、剪切强度、弹性模量等力学性质的测定。同时，还进行了软弱围岩的岩石分类和地质结构分析，以确定不同岩性和地质层位的性质差异，这有助于理解软弱围岩的变异性和异质性[2]。

德胜隧道最大埋深约750 m，隧道围岩主要为板岩和千枚岩组成。根据野外勘察，软弱围岩广泛分布于DK220+000至DK224+500区间，该软弱围岩区平均埋深420 m，延伸长度约4.5 km。软弱围岩的抗压强度普遍低于25 MPa。

2.2 数值模拟方法选择

在该研究中，采用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）方法，以模拟软弱围岩的变形和应力分布。

有限元分析是一种广泛应用于工程领域的数值模拟方法，它通过将复杂的结构或材料划分成小的有限元单元，然后通过数学方法模拟每个单元的行为，从而得出整体系统的行为。对于软弱围岩的研究，有限元分析可用于模拟各种地质材料的力学行为，包括软弱围岩等，适用于复杂的几何形状和边界条件。

有限元分析可以提供高精度的应力和变形分布数据，有助于准确预测软弱围岩的响应。通过调整有限元模型的网格密度和材料参数，可以灵活地适应不同情况的软弱围岩和施工条件[3]。有限元分析还可以用于模拟不同的支护方案对软弱围岩的影响，从而帮助优化施工方案。

根据大变形的危害情况，将德胜隧道的软岩大变形分为轻微、中等及严重三个等级，分级标准见表2所示：

2.3 模型参数校准

进行实地数据收集和实验室测试，以获取软弱围岩的物理和力学性质数据，包括抗压强度、剪切强度、弹性模量、泊松比等，这些数据是数值模拟的基础。通过试验和现场测量获得的数据，对数值模型中的材料参数进行校准，包括定义软弱围岩的材料模型，如弹塑性模型、本构模型等，以及相应的参数。参数校准的目标是使模型能够准确地反映软弱围岩的力学行为。

校准过程通常涉及试验数据与数值模拟结果的比较，然后根据差异调整模型参数，直到模拟结果与实测数据相符合。这是一个反复迭代的过程，需要综合考虑多个参数的影响。一旦模型参数校准完成，就可以进行数值模拟分析。模拟可以包括软弱围岩的变形、应力分布、支护结构的效果等，以评估不同施工方案的效果，并提供相应的优化建议。

3 数值模拟优化方案

3.1 施工方案设计

进行详细的地质勘察，获取软弱围岩的地质信息，包括岩性、断层分布、地下水情况等。此外，还需收集实验数据，包括软弱围岩的力学参数和变形性质。根据隧道工程的整体计划，将施工过程划分为不同的阶段。考虑软弱围岩的特性，需要合理划分施工的步骤和顺序，以最小化地表沉降和隧道变形风险。

设计合适的支护结构，包括锚杆、衬砌、注浆等，以确保软弱围岩在施工过程中的稳定性[4]。支护结构的选择和布置应基于数值模拟结果和实际条件。根据施工阶段和支护结构的设计，选择合适的施工方法，这可能包括盾构施工、钻孔爆破法、隧道掘进机等，具体选择应充分考虑软弱围岩的特性和工程要求。制订安全预警和监测计划，以监测软弱围岩的变形和地表沉降情况，以便及时采取措施确保施工的安全性和及时性。

3.2 模拟分析和结果

模拟显示，在软弱围岩条件下，隧道开挖过程中软弱围岩会发生较大的变形，表现为岩体挤压、位移等现象。这些变形特性对隧道施工的稳定性带来了挑战。数值模拟还揭示了软弱围岩中的应力分布情况。在开挖过程中，软弱围岩会受到较大的应力集中，尤其在隧道的顶部和侧壁。这些应力集中区域可能会导致岩体的开裂和塌方。

模拟分析包括了不同类型和布置的支护结构。结果显示，合理设计的支护结构可以有效减小软弱围岩的变形和应力集中，提高了隧道施工的稳定性和安全性。模拟还考虑了不同施工进度对软弱围岩的影响，较慢的施工进度可能会减小软弱围岩的应力集中和变形，但也可能导致工程进度的延误。

3.3 优化方案提出

在软弱围岩区段，应采用合理的支护结构，例如锚杆支护、喷射混凝土、钢架支撑等。支护结构的设计应考虑软弱围岩的力学性质，以减小变形和应力集中。在软弱围岩区段，应控制开挖速度，避免过快开挖，以减小软弱围岩的应力集中和变形。在必要的地方可以采用逐段开挖的方式，以确保施工安全。

在施工过程中，应定期监测软弱围岩的变形和应力情况，并根据监测数据调整施工策略。同时，还应及时采取措施应对潜在问题，确保施工安全。对于软弱围岩区段的爆破设计，应进行精确的计算和模拟，以减小爆破对周围岩体的影响，降低地表沉降和塌陷的风险。此外，还应合理规划施工进度，确保施工的稳步推进，同时考虑软弱围岩的特性，以避免过快施工导致出现其他问题[5]。

针对正洞大变形段，该文优化设计了爆破参数，详见表3所示。该爆破参数综合考虑了大变形围岩的力学特性，通过采用减小装药量、扩大炮眼间距等方式调整，目的是减轻爆破震动，以降低对软弱围岩的扰动，防止地表沉降塌陷。

4 结果与讨论

4.1 优化方案aGHXazCQSlfhL5ULtgh+GkXCBVKK+FTZzm7dpCIvMVs=的有效性验证

在软弱围岩区段，采用了优化的支护结构设计，包括锚杆支护和喷射混凝土。监测结果表明，这些支护结构显著减小了软弱围岩的变形和应力集中。相对于传统支护结构，软弱围岩的变形降低了30%以上，应力集中区域面积减小了20%。

在施工过程中严格控制了开挖速度，并采用了逐段开挖的策略。实际监测数据显示，软弱围岩的应力分布相对均匀，未出现明显的应力集中情况，这表明控制开挖速度的策略取得了显著效果。

采用了精确计算和模拟的爆破方案，以减小爆破对周围岩体的影响。实际爆破后的地表沉降和塌陷情况与模拟结果高度一致，表明爆破方案的优化在减小地表沉降风险方面取得了成功。通过合理规划施工进度，按计划推进工程，未发生重大的施工延误。软弱围岩条件下的施工进展相对平稳，没有出现较大的工程风险。

表4显示了软弱围岩区段在采用优化支护前后变形量的监测结果。监测统计了不同时间阶段的围岩积累变形量、变形速率参数。

表4 软弱围岩变形监测结果表

监测参数 优化前 优化后

累积最大变形量/mm 35.2 13.1

最大变形速率/（mm/d） 2.8 1.0

变形量减小比例 — 63%

变形速率减小比例 — 64%

从结果可以看出，新支护结构使最大变形量由35.2 mm降低至13.1 mm，最大变形速率由2.8 mm/d降低至1.0 mm/d，变形量和变形速率较优化前分别减小了63%和64%，变形抑制效果明显，表明优化方案达到了显著效果。

4.2 施工风险降低效果

采用锚杆支护和喷射混凝土等支护措施，显著提高了软弱围岩的稳定性，降低了岩体崩塌的风险，减少了可能对工程和人员造成的危险。通过精确计算和模拟的爆破方案，有效控制了爆破对地表的影响，减小了地表沉降和塌陷的风险，这对于保护附近建筑物和交通设施至关重要。

合理规划施工进度和控制开挖速度有助于避免施工中的延误。软弱围岩条件下的施工进展相对平稳，未出现重大工程停滞，降低了工程推迟的风险。通过减小软弱围岩的变形和应力集中，改善了工程施工环境，提高了施工人员的安全性，这对于保障工程团队的工作条件至关重要。

4.3 工程效率提高分析

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通过控制施工速度和优化支护结构，降低了软弱围岩引起的施工延误风险，缩短了工程的整体施工周期，从而提高了工程效率。合理规划施工进度，避免了不必要的停工和等待时间。软弱围岩区段的施工相对平稳，未出现大规模的停工情况，确保了工程的连续进行。

优化方案的实施使得施工资源更加高效地利用。支护结构的合理设计和施工速度的控制减少了资源浪费，有助于降低工程成本。通过减小软弱围岩的变形和应力集中，改善了施工环境，提高了施工人员的工作效率和舒适度，有助于施工队伍保持高效的工作状态。

5 存在的局限性和未来研究方向

该研究虽然取得了一定的成果，但仍然存在一些局限性。该研究基于特定项目的数据和条件进行了数值模拟，结果可能不具备普适性。未来研究可以扩大研究范围，考虑更多的地质和岩石类型，以增加研究的普适性。

该研究在数值模拟中采用了一定的假设和简化，可能未考虑所有可能的复杂因素。未来研究可以进一步细化模型，考虑更多的影响因素，以提高模拟的精度。该研究主要关注软弱围岩对施工的影响，未来研究可以深入探讨软弱围岩的工程治理和加固技术，以应对软弱围岩问题。

6 结语

该文通过对德胜隧道进口段软弱围岩施工问题的数值模拟进行优化研究，提出了一种有效的施工方案，该方案在减小施工风险、提高工程效率方面具有明显优势。随着隧道工程的不断发展，该研究提出的方法和方案将为类似项目的设计和施工提供有益的经验和参考，对于促进交通基础设施的建设和国家经济的发展具有积极意义。然而，该研究中仍存在一些局限性，未来的研究工作将继续深入探讨，以进一步完善这一领域的理论和实践经验。

参考文献

[1]伍达富.桐梓隧道软弱围岩段高效施工研究[D].贵阳：贵州大学，2021.

[2]顿建国，张孟伟.浅埋软弱围岩隧道基于变形稳定性的施工方案研究重点分析[J].工程建设与设计，2018（23）：183-185.

[3]尹启鸣.浅埋偏压软弱围岩隧道洞口段施工技术与稳定性研究[D].重庆：重庆交通大学，2020.

[4]何金鸽，李之达，刘子航.基于数值模拟与监控量测的浅埋大断面软弱围岩隧道施工方案比选[J].工程与建设，2019（1）：118-121.

[5]王星，师江涛，柴伦磊，等.山子顶公路隧道软弱围岩施工方案优化研究[J].地下空间与工程学报，2018（S1）：185-192.