大断面隧道开挖稳定性数值模拟分析

涂 健

(湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

0 引 言

截至20世纪90年代中期，中国在运营的隧道总数为4 855座，线路总长度约为2 260 km[1]。这些隧道中，多数以上存在各种各样的质量问题，例如：变形过大致使净空超标的占52.4%，严重漏水的占29.4%，衬砌损坏的占18.3%，通风照明不良的占19.1%。随着近年来中国隧道工程技术的不断发展和相关理论的完善，大量的高难度隧道如雨后春笋般涌现，如特长隧道、大断面隧道、冻土和高地应力等复杂地质条件隧道、水下隧道。

最新的不完全统计资料表明，到2015年底，中国大陆在运营的公路和铁路隧道总数为25 000余座，总长度约为18 544.4 km[2-3]。目前中国在隧道数量、运营总里程上已经处于世界前列。在中国的发达城市，如北京、上海和广州等城市地铁及城铁建设相当健全，且目前建设中或规划拟建城市轨道交通的城市有20余个。新奥法是先进的隧道施工方法，经过不断的实践、总结和改进，新奥法已经逐渐发展成熟，而且针对中国特殊地质也有了专门的施工方法，并在多个大的公路隧道项目工程中得以应用，如二郎山隧道、西山坪隧道等[4-6]。但是，在成功的背后，仍有许多需要进一步改进的地方，比如：整体而言仍属于粗放型；施工的总体水平较低，施工机械的自主研发能力不足，多数仍依赖于国外进口；且施工机械化程度低，施工人员所处工作环境较差[7]。

隧道开挖，尤其是大断面隧道开挖中，施工稳定性对于隧道整个建设和使用阶段具有重要的意义，本文主要以某隧道为研究对象，通过利用大型有限差分软件FLAC3D进行数值模拟，并重点对隧道在开挖过程中的地表沉降和围岩塑性区进行分析，以期为类似隧道建设提供参考和借鉴。

1 大断面隧道开挖方法

1.1 全断面法

全断面开挖方法是一种常见的大断面隧道开挖方法，它适合于围岩强度高的隧道施工。施工步骤是，在掌子面上一次成孔，进行一次爆破，最后进行一次支护到位。该种施工方法较为简单，在施工过程中常用到多功能台架以及移动式钻孔台车等。全断面开挖速度快，施工效率高，但同时会带来一些问题，例如：相较于其他方法，全断面法施工后围岩变形更大，塑性区范围广，尤其在隧道的拱肩和拱脚部位，应力集中现象比较普遍，因此在施工过程中应该根据实际工程地质条件谨慎使用[8]。

1.2 台阶法

台阶法施工一般指将掌子面分成不小于2个部分并进行分步开挖，一般来说该方法包括正台阶法以及中隔墙台阶法等。在使用台阶法开挖以前，要综合考虑围岩性质及力学指标，并结合工程经验合理选用。通常情况下台阶法适用于Ⅰ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅱ～Ⅲ级软岩地层洞口段、偏压段、浅埋段，Ⅲ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅲ 、Ⅳ级软岩地层。此外，仍应按照隧道具体情况采取管棚法、超前锚杆法以及超前预注浆等进行辅助加固[9]。

1.3 单侧壁导坑法

单侧壁导坑法一般是指先在隧道断面的一侧开挖一个导坑，并且保持该导坑始终超前，之后再开挖其他部分隧道岩体。为了防止施工时产生破坏，即稳定工作面，应该按照隧道具体情况采取超前管棚法、超前锚杆法以及超前预注浆等技术手段进行辅助加固，并且单侧壁导坑超前的距离一般不小于2倍洞径。超前导坑开挖通常采用人工开挖、机械和人工配合开挖及出渣[10-11]。其余断面的隧道开挖，可适当通过控制爆破的方法来完成，但要避免破坏已完成的导坑及其支护。

2 工程概况

本文研究的隧道施工区主要地层为第四系坡残积层、震旦系上统陡山沱组地层、震旦系上统南沱组地层、震旦系下统澄江组地层。隧道区海拔高程介于1 754.0～2 109.54 m之间，相对高差为355.45 m，属构造侵蚀中山地貌区。隧道进口位于甸基坝水库东侧约100 m，交通条件较为便利；出口位于玉屏村南东侧约2.2 km处，交通条件差。地质调查显示：隧道区 K112+760 附近发育一断层，该断层性质不明，与路线近乎垂直相交，岩体较破碎，对隧道围岩有一定影响；未见有泥石流、滑坡、崩塌等不良地质作用发育。

该隧道为双向六车道分离式特长隧道，左洞起止桩号为ZK110+265～ZK114+750，长度为4 485 m，右洞起止桩号为K110+275.04～K114+655，长4 379.96 m，设计围岩级别有Ⅲ～Ⅴ级。本文以YK110+472断面为例，采用全断面开挖，隧道断面尺寸如图1所示，岩体的物理办学指标如表1所示。

表1 岩体的物理力学指标

图1 隧道断面尺寸

3 建立数值模型及参数选取

图2 数值模型

建立隧道模型一般要考虑开挖影响范围，本工程隧道断面最长为17.5 m，高度最高为13.8 m，而一般地下工程的影响范围为3～5倍洞室内径，如图2所示。建立模型时X轴取80 m，Y轴沿隧道轴线方向取50 m，Z轴取至地表距隧道截面中心60 m处，竖直向下(Z轴)取至距隧道截面中心40 m处，除上边界外，模型其他边界均设有法向约束。除上边界外其他三个边界进行位移约束。

模型尺寸为100 m×80 m×50 m，起始段为YK110+470，沿着Y轴方向开挖。其中YK110+470～YK110+474段采用锚杆加注浆小导管梅花型布置支护，YK110+474～YK110+494段采用锚杆支护，全段采用SF5c型衬砌。喷射混凝土和锚杆的力学参数如表2所示。钢筋网和工字钢支撑折合到衬砌上面。该模拟共进行多次循环开挖。

表2 喷射混凝土和锚杆的力学参数

4 数值结果分析

4.1 地表沉降变形分析

图3 开挖隧道地表沉降

隧道开挖以后，由于围岩应力释放以及开挖与支护过程之间存在间隙，隧道上伏地表沉降在所难免；再者，隧道地表沉降大小对于评价隧道安全与否也是一个非常重要的参数。如图3所示，通过FLAC3D数值分析软件对地表的沉降进行监测，在以隧道正上方向两边沿X轴扩散，每隔3.75 m设置1个监测点，共监测到17个数据。由图3可知，隧道正上方沉降最大，最大值为15.2 cm，向两侧沉降逐渐减小，在±10 m的位置，沉降值为8.3 cm，在±30 m位置，沉降减小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右对称，且呈现出抛物线形状。综合评判来说，地表沉降最大值为15.2 cm，已经会影响隧道的安全和正常使用，应该重点加强隧道拱顶围岩支护，尽可能降低拱顶沉降，充分发挥锚杆衬砌支护体系的支护作用，最大程度地抑制隧道变形，保证其正常使用。

图4 开挖围岩塑性区变化云图

4.2 隧道围岩塑性区分析

围岩塑性区是判断隧道安全与否的又一重要因素。图4为隧道开挖支护以后围岩塑性区云图，模拟进行多个循环开挖支护，每次开挖进尺为1.2 m。由于篇幅有限且隧道具有对称性，本文只给出未开挖以及第1、5、8次循环开挖右半幅隧道围岩塑性区的变化进行分析。

如图4所示，沿隧道中心取模型右侧进行围岩塑性区分析，由图4(a)～(d)可以看到，在隧道未开挖之前，不存在塑性区，这与实际情况相符。在开挖过程中出现剪拉屈服。初次开挖时隧道外环周围出现小范围剪拉，随着与掌子面距离增大，塑性区范围不断扩大，且扩大位置主要发生在拱肩和拱脚部位。从塑性区分布可以看到，拱顶和拱底主要为剪拉屈服，其他部位主要为剪切屈服。综上所述，可以重点防护拱肩和拱脚位置，加强支护，防止危害产生。

5 结 语

本文主要介绍大断面隧道开挖方法，包括全断面法、台阶法以及侧壁导坑法等，并以某大断面隧道开挖支护为例，通过分析隧道地表沉降和塑性区来判断隧道的稳定性，并得到以下结论。

(1)隧道开挖支护后正上方沉降最大，最大值为15.2 cm，向两侧沉降逐渐减小，在±10 m的位置，沉降值为8.3 cm，在±30 m的位置，沉降减小到1.8 cm。地表沉降基本沿隧道中心左右对称，且呈现出抛物线形状。从地表最大沉降量可知，沉降已经影响隧道的稳定，应该重点加强隧道拱顶围岩支护。

(2)在隧道开挖过程中出现剪拉屈服，初次开挖时隧道外环周围出现小范围剪拉，随着与掌子面距离增大，塑性区范围不断扩大，且扩大位置主要发生在拱肩和拱脚部位。从塑性区分布可以看到，拱顶和拱底主要为剪拉屈服，其他部位主要为剪切屈服。综上所述，应重点关注拱顶、拱肩和拱脚位置，加强支护，防止危害产生。