软岩隧道大变形支护新技术（上加山深埋软岩隧道开挖大变形控制技术研究）

软岩隧道大变形支护新技术（上加山深埋软岩隧道开挖大变形控制技术研究）sinφ=σ1−σ3σ1 σ3 2ccotφ         (1)sinφ=σ1-σ3σ1 σ3 2ccotφ         (1)通过数值模拟得到3种不同开挖方式，本构采用摩尔-库伦弹塑性模型，土体处于极限平衡状态时满足的条件：本文利用有限差分软件FLAC 3D对实际隧道工程不同开挖方法进行数值模拟，分析了3种隧道开挖方法下隧道与围岩的变形规律，总结在不同开挖方法下隧道围岩应力场、地表沉降的相关结论，为此类隧道修建提供科学依据。项目区所在区域属华南褶皱系右江再生地槽右江褶皱带内，构造格架基本定型于印支—燕山运动，褶皱发育，喜山运动和新构造运动主要影响右江断裂带，对近场区其他构造影响不大。项目区右江断裂所属为百色至思林段，断裂位于百色—田东盆地南、北两侧，控制着第四纪百色—田东盆地的发育。路线全线长22 km 其中桥梁3.249 km 占线路全长的14.76%;隧道5.758 km 占

樊占东中交三公局第一工程有限公司

摘 要：针对深埋软岩隧道在施工期间易发生拱顶失稳进而引发围岩大变形问题，以上加山隧道为依托工程，采用FLAC 3D数值模拟技术，主要对比分析了环形开挖留核心土法、上下台阶挖掘法和全截面挖掘法等3种施工方式下的隧道拱顶沉降变形规律、拱底隆起变形规律、地表沉降变形规律、应力场分布规律，阐明了3种开挖方式对深埋软岩隧道围岩稳定性影响。研究结果表明：洞顶沉降主要发生在距离隧道左右两侧大约0.5倍洞径处，地表沉降主要发生在距隧道轴线0～35 m范围内。3种不同开挖方式主要影响了隧道拱顶沉降与拱底隆起变形程度，其中环形开挖留核心土法>上下台阶挖掘法>全截面挖掘法。结合地质雷达检测与现场监测结果表明，采用环形开挖留核心土法施工相对比其他两种开挖方式可有效控制深埋软岩隧道拱顶下沉变形与拱底隆起变形。

关键词：软岩隧道;地表沉降;开挖方法;数值模拟;支护参数;

随着我国社会经济的快速发展，浅埋隧道工程已渐渐不能满足社会发展的需要，越来越多的岩土工程从浅部逐渐向深部延伸，隧道范围内不可避免地存在软岩，然而不同的开挖方法，隧道拱顶围岩的变形量将截然不同，因此研究不同开挖方法下隧道围岩的变形特征，选择合理的施工方法以防止灾害发生具有重要的研究意义。

目前，针对不同围岩等级的开挖方法主要包括：环形开挖留核心土法、上下台阶挖掘法和全截面挖掘法。杜可耕等[1]利用三维数值模拟的方式，对穿越断层破碎带的隧道施工进行数值模拟，分析了在跨越断层破裂带时，通过预留核心土法施工后的隧道拱顶围岩变化情况。韦秉旭等[2]通过对软弱破碎围岩的力学性质特征进行分析，提出预留心核土环向刻槽的隧道施工方式，通过结合施工实践情况，并通过数值模拟分析的方式研究了该隧道施工方式对软岩隧道施工时拱顶围岩变化的影响，经过分析证实了该隧道的施工方式，可以有效降低隧道施工时对软弱破碎围岩的变化影响，进而减小了隧道施工区域的变化率。祖玲娜[3]通过对深圳地铁八号线一期工程深外高中站两种大断面暗挖法(即九步开挖的双侧壁法和台阶法)对不同的施工工序进行了数值模拟，并结合施工监测数据得出，两种方法对施工工序的地质条件适应性强。谭宗盛等[4]以东天山特长公路隧道为背景，首先提出了土质地层隧道的大断面开挖工艺，并采用力学分析方法和现场对比试验，分析论述了该工法的可能性，对比台阶法，大断面施工时围岩应力释放速度较快，变形迅速发展。冯春萌等[5]采用有限元软件对以甘肃兰州某三台阶预留核心土法所开挖的黄土隧道施工过程进行了等比建模研究，该有限元模型以实际工作中的隧道内各导坑开挖进尺、初期支护型式以及支护顺序为主要模型条件，并利用数值分析方法得出在黄土隧道初期支护及前后隧道内的支撑围岩的变化状况。

本文利用有限差分软件FLAC 3D对实际隧道工程不同开挖方法进行数值模拟，分析了3种隧道开挖方法下隧道与围岩的变形规律，总结在不同开挖方法下隧道围岩应力场、地表沉降的相关结论，为此类隧道修建提供科学依据。

1 工程概况

项目区所在区域属华南褶皱系右江再生地槽右江褶皱带内，构造格架基本定型于印支—燕山运动，褶皱发育，喜山运动和新构造运动主要影响右江断裂带，对近场区其他构造影响不大。项目区右江断裂所属为百色至思林段，断裂位于百色—田东盆地南、北两侧，控制着第四纪百色—田东盆地的发育。路线全线长22 km 其中桥梁3.249 km 占线路全长的14.76%;隧道5.758 km 占线路全长的26.17%;桥隧比40.93% 连接线9.3 km。该标段以保护环境作为出发点，采用桥隧结合，避免大填大挖破坏生态。本标段具有土石方填挖工程量大，深挖、高填方路段多的施工特点。

本项目上加山隧道全长4.11 km 其中Ⅴ级围岩1.193 km Ⅳ级围岩2.152 km Ⅲ级围岩0.77 km 围岩情况复杂，是本项目的控制性工程。上加山隧道左线隧道起讫里程ZK1 925～ZK6 013 长4 088 m 坡率1.15% -1.2%;右线隧道起讫里程YK1 895～YK6 010 长4 115 m 坡率1.15% -1.2%。为了保证隧道施工段不同强度等级隧道围岩下隧道开挖的稳定性与安全性，并适当节约施工成本，对不同等级围岩情况采用不同的隧道开挖方式。

2数值模拟的基本假设及原理2.1基本原理

通过数值模拟得到3种不同开挖方式，本构采用摩尔-库伦弹塑性模型，土体处于极限平衡状态时满足的条件：

sinφ=σ1−σ3σ1 σ3 2ccotφ         (1)sinφ=σ1-σ3σ1 σ3 2ccotφ         (1)

简化后可得Mohr-Coulomb屈服准则表达式为：

σ1=σ31−sinφ1 sinφ 2ccosφ1−sinφ         (2)σ1=σ31-sinφ1 sinφ 2ccosφ1-sinφ         (2)

随着隧道的开挖，可以用摩尔-库伦理论来分析围岩应力的变化，如图1所示。曲线①是围岩在未开挖时初始应力状态，在强度包络线的下方，这时围岩处于稳定状态。曲线②是在隧道开挖后，这时围岩就会失去径向支护作用，应力状态发生相应的改变。曲线③表示的是在开挖后，没有及时支护任凭围岩自由发展，最终导致破坏。曲线④表示被动支护下围岩的变化情况，由于这种支护方式的承载主要依赖围岩位移，这种支护方式实际上是及时施工支护系统，却不是快速支护围岩。所以，在持续施工情况下摩尔圆与强度包络线相交，就会发生破坏。曲线⑤体现的是在主动支护条件下围岩的变化情况，体现了真正的及时支护，曲线在包络线的下面，没有破坏，完成支护。

2.2模型建立

(1)假定隧道工程的岩体均为均匀连续的，且不考虑围岩裂隙对隧道岩土体应力场的影响。

(2)初始应力只考虑重力对隧道岩土体的影响作用。

(3)模型两侧边界距离隧道两侧边界均取50 m 模型上下边界距离隧道上边界取100 m 下边界取 20 m。

(4)对模型左右及前后边界施加水平位移约束，对模型底边界施加竖向位移约束。模型共划分45 680个单元，47 901个节点。

图1 基于摩尔-库伦理论的围岩应力变化 下载原图

(5)数值计算服从Mohr-Column屈服准则，围岩用实体单元模拟；被开挖围岩用空模型单元模拟；径向锚杆用锚索单元模拟；其他初期支护结构用壳单元模拟；二次衬砌采用弹性本构模型，用实体单元模拟。

2.3计算参数设置

隧道围岩相关勘察设计资料，围岩的相关物理力学参数见表1。

表1 围岩强度参数 导出到EXCEL

名称	γ/(kN/m3)	c/kPa	φ/(°)	μ
强风化砂岩	20	25	18	0.4
粉质黏土夹碎石	14.9	18	12	0.15

3 不同开挖方式下围岩力学行为分析

通过对比不同开挖方式下围岩受力变形情况，总结出不同开挖方式对隧道开挖的影响。

3.1竖向位移分析

采用3种不同开挖方式，在隧道开挖完毕后得到竖直方向位移分布云图。从图2～图4中发现，围岩的最大沉降发生在隧道拱顶中部，隧道仰拱发生了明显的隆起变形，其中采用环形开挖留核心土法开挖隧道，隧道拱顶最大沉降量为3.08 cm 仰拱最大隆起量为2.78 cm; 采用上下台阶挖掘法开挖隧道，隧道拱顶最大沉降量为4.93 cm 仰拱最大隆起量为4.81 cm; 采用全截面挖掘法开挖隧道，隧道拱顶最大沉降量为9.80 cm 仰拱最大隆起量为10.02 cm。由此得出：环形开挖留核心土法竖向位移变形量最小，全截面挖掘法最大。通过图5和图6 可以看出，选用不同的施工方法，拱顶下沉及仰拱隆起有很大的区别，不难发现当选用环形开挖留核心土法，拱顶下沉及仰拱隆起是最小的。

图2 环形开挖留核心土法竖直方向位移分布云图 下载原图

图3 上下台阶挖掘法竖直方向位移分布云图 下载原图

图4 全截面挖掘法竖直方向位移分布云图 下载原图

3.2竖向应力分析

采用3种不同开挖方式，在隧道开挖完毕后得到竖向应力分布云图。从图7～图9中可以看出，环形开挖留核心土法竖向应力拱顶所受应力大于底部所受应力，隧道两侧有环形的受力；上下台阶挖掘法拱顶的竖向应力大于底部的应力，中间受到较大的集中力，拱脚处受力较少；进行全截面挖掘法数值模拟，底部所受的竖向应力较大，两侧所受应力较为分散，没有出现应力集中的现象。通过分析，环形开挖留核心土法受力较为均匀。

图5 不同开挖方式下拱顶下沉位移 下载原图

图6 不同开挖方式下仰拱隆起位移 下载原图

图7 环形开挖留核心土法竖向应力分析 下载原图

图8 上下台阶挖掘法竖向应力分析 下载原图

图9 全截面挖掘法竖向应力分析 下载原图

3.3地表沉降分析

地表沉降是判断隧道开挖过程对周围环境破坏程度的重要指标，对隧道工程正常开展有着重要指导意义，因此，有必要对不同开挖方式作用下相同地表的沉降状况进行分析探讨。现选取数值模型顶面各点为分析对象，读取该点位隧道开挖完成后竖直方向位移情况，并绘制不同开挖方法下隧道开挖完成后地表各点的地表沉降曲线，如图10所示。

图10 不同开挖方法下地表沉降 下载原图

由图10可知，在不同隧道开挖方法作用下，隧道地表沉降曲线沿隧道中轴线呈轴对称状，且不同开挖方式作用下地表沉降曲线变化规律相似，地表沉降量均在隧道轴线处有最大值，地表沉降主要发生在距隧道轴线0～35 m范围内，若距离超出此区间，则地表沉降将趋于0。通过地表沉降曲线可知，不同开挖方法下隧道地表沉降量不同：环形开挖留核心土法沉降量最小，全截面挖掘法沉降量最大。因此，对于深埋软岩隧道，采用环形开挖留核心土法开挖对保障隧道围岩的稳定性更有利。

4 现场监测4.1地质调查及雷达监测

通过对掌子面里程ZK1 967断面处的地质调查，掌子面岩性上部为粉质黏土夹碎石，厚度较薄；下伏基岩为强风化砂岩夹泥质砂岩，岩体破碎；岩体节理裂隙发育，页岩风化快，易崩解；开挖后自稳能力差，洞顶及侧壁易坍塌、掉块。

通过使用雷达检测(图11)不难发现，在掌子面前方0～30 m区段内，电磁波反射信号衰减较强，频率为较均匀低频，幅值较强，同相轴不连续，波形较均一，初步判断该段围岩特征与目前掌子面基本相似，以粉质黏土夹碎石为主，强风化，局部全风化，节理、裂隙发育，整体围岩较破碎，结构松散，岩质稍软，潮湿状，自稳能力差，易发生大变形，局部存在弱夹层， 稳定性较差。

图11 雷达预报成果 下载原图

4.2拱顶及拱脚处位移监测

通过对ZK1 967断面进行位移监控，可以发现模拟和现场位移变化基本相符，拱顶沉降大致相同，如图12、图13所示。

图12 现场监测数据 下载原图

5 结语

(1)隧道开挖完成后，不同的开挖方式呈现出相似的变形规律。洞顶变形主要发生在距离隧道左右两侧大约0.5倍孔径处，并且隧道整体呈向下发展趋势。

图13 相应位移变形速率 下载原图

(2)隧道拱顶下沉量和仰拱隆起量远大于侧向变形，但不同开挖方法所造成的变形量不同，其中环形开挖留核心土法竖向位移最大变形量为3.08 cm 上下台阶挖掘法最大变形量为4.93 cm 全截面挖掘法最大变形量为10.02 cm。因此应选择变形量最小的施工方式。

参考文献

[1] 杜可耕，李安珍.预留核心土法施工穿越断层破碎带隧道的围岩变形分析[J].公路交通科技：应用技术版，2020 16(5):273-275.

[2] 韦秉旭，唐辉湘.预留核心土环向刻槽对隧道开挖的稳定性影响[J].公路，2012 (6):276-282.

[3] 祖玲娜.大断面暗挖车站施工工法优化比选研究[J].现代城市轨道交通，2022 (1):79-85.

[4] 谭宗盛，杨旸，薛君.土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究[J].中国公路学报，2021 34(9):253-262.

[5] 冯春萌，吴刚刚，付浪，等.深埋黄土隧道循环进尺施工钢拱架受力及变形动态特征研究[J].公路，2021 66(2):345-350.

[6] 徐哲翔.盖挖法在公路隧道中间浅埋段的应用[J].福建交通科技，2020 (6):125-127.

[7] 侯兴龙 .公路隧道施工中的现场监控量测技术分析[J].甘肃科技纵横，2020 (9):52-54.

[8] 张少兵 .复杂地质条件下隧道施工技术和安全管理[J].科学技术创新，2020 (15):113-114.