公路隧道开挖方式模拟研究

公路隧道开挖方式模拟研究

程国祥高子泷牛猛夏胜衍韩晓

金川集团有限公司  甘肃金昌  737100

摘要：隧道开挖施工过程中，周围的土体必定会受到较大的扰动，准确的选择开采方式对于隧道开挖效率和工作安全非常重要，某公路隧道围岩为Ⅳ级硬岩，采用全断面法和台阶法各有其优点，为进一步选择最优的开挖方式，本文采用FLAC 3D数值模拟软件，研究台阶法和全断面法不同开挖方式下隧道围岩的变形及应力发展规律、围岩塑性区破坏规律，提出采用台阶法，塑性区体积最小，沉降量和应力集中程度最小，能够确保开挖工作的顺利进行。

关键词：开挖方式；全断面法；台阶法；FLAC 3D；数值模拟

1 引言

隧道在开挖前，原岩未破坏，应力处于平衡状态，隧道的开挖使得这种平衡状态发生破坏，应力和位移都将发生变化，最后重新达到平衡。应力重分布是指在开挖的扰动下隧道周围地层中应力方向和大小的变化现象，但这种应力重分布只会发生于靠近隧道的周围岩体，通常把隧道围岩发生应力重分布这一部分岩体叫做隧道围岩[1]。目前，针对隧道围岩稳定性的主要分析方法有三类：试验分析法[2]、理论分析法[3]和数值计算法[4]。俞琳[5]通过弹塑性有限元法，模拟分析了隧道支护的力学性能，且对不同横断面、不同进尺以及不同台阶条件下隧道的开挖结果进行了分析。王清标[6]等人采用FLAC数值模拟软件，对不同开挖方式下近距离交叠隧道开挖过程进行了模拟研究，提出当新建隧道穿越既有隧道时，采用台阶法→CRD法→台阶法比较理想。某公路隧道围岩为Ⅳ级硬岩，若采用全断面法开挖，施工工序少，开挖效率高，但开挖工作的安全无法保证，若采用台阶法，提高了工作的安全性，但是上下台阶的开挖互相影响，效率较全断面开挖略低。如何正确选择，应根据实际情况综合考虑，但必须符合安全、快速、质量和环保的要求，达到规避风险、加快进度和节约投资的目的。

2 工程概况

本文研究的公路隧道位于新疆维吾尔自治区奇台县辖区，地表较平缓，交通便利，有国道，各村之间均有简易公路相通。隧道全长850m，其主体部分处于片麻岩山体内，地表局部范围分布有积土，整个隧道以Ⅳ级硬岩为主，地下水不发育，水量贫乏。隧道绝大数为直线段，整体以15‰隧道呈单向上坡。隧道截面最大跨度10.2m，净高7.3m，最大埋深为145m。地质资料见表1。

表1主要物理力学参数

3数值方法建模

3.1 隧道开挖施工方法简介

（1）全断面法，是隧道和地下工程开挖常用方法之一，按照设计轮廓一次爆破成形，接着一次支护到位，主要适用于Ⅰ～Ⅲ 级硬岩地层和Ⅱ级软岩地层的开挖。

（2）台阶法，又分为正台阶法和反台阶法，是将结构断面分为两个或者几个部分， 具有上下断面两个或者多个工作面，分布开挖，主要使用于Ⅲ、Ⅳ级围岩地层和洞口段、偏压段、浅埋段的Ⅰ～Ⅴ级硬岩地层以及Ⅱ、Ⅲ级软岩地层。

3.2不同开挖方式的模拟实现

FLAC 3D数值模拟软件提供了多种结构单元，能够比较真实地模拟出隧道分布动态开挖过程[7]。本次模拟按照开挖方式的不同共设置两个方案，方案一为全断面法，一次开挖成形，方案2为台阶法，采用正台阶上下两部分步开挖,为了研究的统一性，开挖进尺都为2.5m。模型的宽度为70m，模型下边界距隧道底部30m，模型顶部采用自由边界，四周和底部采用位移固定约束。图1（a）为模型立体图，图1（b）为截取的断面图，模型的单元数（zone）为1110975，节点数（gridpoints）为1118400。

图1 计算模型

3.3应力和围岩参数赋值

地下工程岩体中应力场包括原岩应力场和次生应力场，工程岩体的破坏或崩塌与应力状态密切相关。本文模型在应力选取过程中，垂直应力为重力应力场，即垂直应力,水平应力。计算过程中假设岩体为各项同性均匀弹塑性介质以及不考虑时间和地下水的影响，数值模拟计算采用Mohr-Coulomb屈服准则，岩体力学参数见表1。

4模拟结果计算

4.1 位移分析

表2 不同开挖方式下各监测点的Z方向位移值（单位/mm）

表3 不同开挖方式下各监测点的X方向位移值（单位/mm）

隧道开挖后，拱顶和拱底围岩产生变形和松动，由图2和图3可知，隧道顶部围岩形成半椭圆形沉降分层现象，隧道底部出现底鼓现象，在不同开挖方式下，围岩Z方向位移有较大差别，全断面开挖对隧道上部围岩的影响比台阶法大，采用全断面法开挖时最大沉降量达6.40mm，采用台阶法开挖，Z方向最大位移为5.26mm，全断面开挖过程中拱底最大拱起值为5.20mm，采用台阶法开挖拱起值最大4.22mm，隧道关键点的Z方向位移值见表2。分析图4和图5可知，两方案的水平位移相差不大，且最大位移量均处于1.7mm以内，隧道关键点的X方向位移值见表3所示。

4.2塑性区分析

全断面开挖过程中，一个进尺开挖完进行支护，由于暴露面积大，塑性区范围较大，隧道顶底部围岩在拉应力作用下处于拉伸屈服状态，隧道两侧在拉应力和剪应力共同作用下既有拉伸也有剪切破坏，且破坏较严重。台阶法开挖过程中，首先进行上部台阶的开挖，卸荷后开挖下部台阶，受到开挖顺序的影响，隧道顶部围岩拉伸破坏范围较小，且隧道两侧仅出现小范围的破坏区域，塑性区分布图见图10和图11。经过数据统计得到：全断面法开挖后塑性区体积为3015.275m3，台阶法开挖后塑性区体积为1721.095m3。

5 结论与建议

1）从隧道开挖后应力云图可知，隧道开挖过程中大部分区域都是受压的，拱顶和拱脚区域承受拉应力，在隧道两侧出现较大应力集中现象，且全断面开挖引起的应力集中程度较台阶法严重。

2）不同开挖方式下水平方向位移相差不大，但垂直方向围岩的位移累积量，全断面法开挖后沉降量大于台阶法。

3）根据围岩塑性区范围可知，台阶法开挖过程中隧道两侧效果较好，同时，拱顶和拱底塑性区范围也小，全断面法开挖后塑性区体积为3015.275m3，台阶法开挖后塑性区体积为1721.095m3，台阶法开挖优于全断面法开挖。

4）新疆某隧道公路开挖方式的选择台阶法优于全断面法，能够确保开挖工作的顺利进行。

参考文献：

[1]来弘鹏. 黄土公路隧道合理砌断面形式试验研究[D]. 西安：长安大学, 2004.

[2]张强勇, 李术才, 焦玉勇. 岩体数值分析方法与地质力学模型试验原理及工程应用.中国水利水电出版社, 2005, 5.

[3]俞琳. 软岩隧道开挖与支护数值分析[D]. 大连：大连理工大学, 2005.

[4]王清标, 蒋金泉, 路林海等. 不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2013, 32（10）: 2080-2087.

[5]蔡鹏麟. 基于FLAC~(3D)的青岛地铁隧道开挖引起的地表沉降分析[D].吉林大学,2015.

作者简介：程国祥（1993—），男，本科，采矿工程专业工程师，主要研究方向为采矿工程。