■劉 遠

(貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司， 貴陽 550000)

在山地丘陵地區(qū)修建交通基礎設施， 不可避免地會進行隧道工程開挖，所遇到的復雜地質條件也是多種多樣，地質構造偏壓就是其中一種，由于地質構造偏壓對圍巖穩(wěn)定性和支護結構的受力會產生一定的影響，增加了開挖過程中的施工風險，因此，需要選擇合理的開挖方式和開挖參數[1-3]。

進行隧道開挖施工方法需根據地質圍巖情況進行選取，主要包括全斷面法、臺階法、CD 法、CRD法、預留核心土法、單/雙側壁導坑法等。 其中，臺階開挖法在圍巖條件較為復雜的洞段應用最為廣泛。秦斌等[4]以重慶軌道交通環(huán)線彈子石—涂山站區(qū)間隧道為例，對臺階法隧道施工合理開挖高度及步距進行了模擬探討；蔣亮等[5]通過模擬分析認為適當減小臺階開挖長度可有效降低隧道拱頂和地表沉降；耿啟軍等[6]對比分析了三臺階大拱腳臨時仰拱法和微臺階法在砂質黃土隧道中應用效果， 認為三臺階大拱腳臨時仰拱法在控制隧道圍巖變形方面效果更好。

文章以后坪隧道順層偏壓Ⅳ級圍巖段為例，對不同臺階開挖參數下的隧道應力變形進行了模擬分析，并確定最佳的開挖參數，可為指導實際工程提供借鑒。

1 工程概況

保神高速后坪隧道進口段DK490+747 ～DK492+000 左側存在順層偏壓，長1253 m，出口段DK497+100～DK497+652 右側存在順層及順層偏壓， 長552 m， 兩段總長1805 m。 隧道進口段DK490+747 ～DK492+000 巖 層 產 狀 為E-W/30°～64°，線路與巖層走向夾角為16°，巖層真傾角30°～64°，橫斷面視傾角29°～64°，一般大于20°，該段洞身左側存在順層偏壓。 洞身附近基巖為砂質頁巖、碳質頁巖。 隧道出口段DK497+100～DK497+652 巖層產狀為65°NW/35°SW， 線路與巖層走向夾角為32°，巖層真傾角35°，橫斷面視傾角30°，大于20°，該段右側存在順層及順層偏壓。

根據隧洞超前地質預報情況， 得到地質圍巖統(tǒng)計及施工方法見表1。該段隧洞主要以Ⅳ和Ⅴ級圍巖為主，其中，Ⅳ級圍巖段長度為975 m，Ⅴ級圍巖段長度為808 m。經多方論證，決定采用臺階法進行Ⅳ級圍巖段隧道開挖，采用臺階法加臨時仰拱法對Ⅴ級圍巖段進行隧道開挖施工，詳見圖1。 本文以隧道順層偏壓Ⅳ級圍巖 (DK491+235～DK491+885)段為例，進行數值模擬分析，以確定最佳的開挖參數。

表1 偏壓段地質圍巖統(tǒng)計

2 有限元模型

2.1 模型假設

模擬軟件采用MIDAS/GTS，模擬過程中做以下幾點假設：(1)材料均為各向同性、均勻、連續(xù)的彈塑性材料；(2)圍巖服從摩爾-庫倫準則；(3)暫不考慮地下水及溫度的影響；(4)初期支護、二次襯砌以及錨桿均為彈性體；(5)圍巖開挖階段、初始支護階段以及二次襯砌各階段的應力釋放比例定位40%、30%和30%。

2.2 邊界條件

在模型模擬范圍左右(X 軸方向)各取100 m，上下(Y 方向)各取150 m，隧道開挖方向(Z 軸方向)取40 m，除地表為自由面外，其余方向均施加固定約束。

2.3 網格劃分

采用四面體和六面體混合網格法，網格內外邊界分別為1 m 和2 m，共劃分為30548 個單元共計15282 個節(jié)點，見圖2。

2.4 材料參數

根據工程實際情況，結合相關設計規(guī)范，對各材料采取如下的參數進行模擬，見表2。

圖1 施工方法示意圖

圖2 臺階施工法三維數值模型

表2 材料參數

2.5 工況設置

根據該段地層傾角情況， 選取平均值55°作為模擬情況；臺階高度分別取4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m 5 種工況進行模擬分析；臺階長度取4.0 m、8.0 m、12 m、16 m、20 m、24 m 和28 m 7 種工況進行模擬分析；開挖進尺取1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m 4 種工況進行模擬分析。

3 模擬結果分析

3.1 臺階高度的影響

模擬得到的不同臺階高度下的圍巖總體位移和應力變化情況見圖3。從圖中可以看到：不同臺階高度對拱頂、左右拱肩以及拱底的總體位移影響不大，對左右邊墻和拱腳的影響較大，其中，對左拱腳的影響最大，其次為右邊墻，并均隨著臺階高度的增大而逐漸減小，左拱腳的位移量最大差值為3.3 mm，右拱腳的位移量最大差值為2.2 mm，但是，隨著臺階高度的增大，位移的遞增量在逐漸減??；同一臺階高度下， 拱底的位移變形量最大，4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 的拱底位移量分別為24.7 mm、24.6 mm、24.5 mm、24.4 mm 和24.2 mm，之后依次為拱頂、拱肩、邊墻和拱腳。 當臺階高度為4～5 m時，圍巖應力最大值出現在左邊墻處，應力最大值分別為419.9 MPa、358.3 MPa 和351.1 MPa， 當臺階高度為5.5 m 和6.0 m 時， 圍巖應力最大值出現在左拱腳處， 應力最大值分別為352.6 MPa 和379.2 MPa，臺階高度對左邊墻、右邊墻及左拱腳的影響較大，但是影響程度也是隨臺階高度增大而減小，隧洞其余位置受臺階高度的影響較小。 由于該段隧道為左側順層偏壓，因而洞室左側的位移和應力大于洞室右邊。

圖3 圍巖總體位移和應力變化情況

對偏壓現象進行量化， 計算得到隧洞左/右應力比情況見圖4。 從圖中可以看到：隨著臺階高度的增加，左拱肩/右拱肩的應力比在逐漸減小，從1.49 減小至1.37，減小幅度為0.12，左邊墻/右邊墻的應力比在逐漸增加，從1.05 增長至1.16，增長幅度為0.11，左拱腳/右拱腳的應力比在逐漸增大， 特別是當臺階高度大于5 m 后， 左拱腳/右拱腳的應力比增長幅度顯著增快， 當臺階高度為6 m 時， 應力比達到了1.39；從隧洞不同位置所受的偏壓情況來講，隧洞拱肩處的偏壓現象最為嚴重， 在4 m 臺階高度時達到了1.49，其次為拱腳，在6 m 臺階高度時達到了1.39，最小的為邊墻；臺階高度較小時，拱肩的偏壓現象較為嚴重，臺階高度較大時，拱腳和拱肩處的偏壓現象較為嚴重，綜合考慮隧洞各部位的偏壓情況，認為選取臺階高度為5 m 時控制偏壓現象的效果最佳，此時洞室各位置的應力比均控制在一個合理水平。

圖4 應力比與臺階高度的關系

3.2 臺階長度的影響

模擬分析得到的不同臺階長度下的洞室拱頂和水平收斂位移變化情況見圖5。從圖5 可見：隨著臺階長度的增加， 隧洞拱頂沉降值逐漸增大，從15.52 mm 增加至18.44 mm， 增長幅度為2.92 mm，洞室水平位移收斂值也呈逐漸增大趨勢， 從32.6 mm 增加至35.4 mm，增長幅度為2.8 mm，這是因為隧洞開挖完成后， 洞室會向臨空面發(fā)生位移變形，臺階長度越短，隧洞上下斷面完成支護的時間越及時，支護結構對位移變形的約束作用越好，從而可以減小洞室的拱頂沉降和收斂變形， 臺階越長，支護結構閉合越晚，對洞室的位移變形和安全穩(wěn)定越不利；當臺階長度大于16 m 后，隧洞的拱頂沉降和收斂位移增長幅度明顯降低； 臺階法施工要求上、下臺階距離不應超過30 m，考慮到實際工程中需要上下斷面同時施工，為避免上下臺階工作時的相互干擾、提高施工進度，同時控制好洞室的位移變形，建議將臺階長度定為16 m 左右。

圖5 臺階長度對洞室沉降變形的影響

3.3 開挖進尺的影響

取臺階高為5 m，長度為16 m，對不同開挖進尺下的洞室沉降變形進行了模擬分析，結果見圖6。從圖6 中可以看到：開挖進尺對拱頂的沉降影響較小，當開挖進尺為1 m 時，拱頂沉降為14.1 mm，當開挖進尺為1.5 m、2.0 m 及2.5 m 時， 拱頂沉降值分別為15.8 mm、16 mm 及16.1 mm，開挖進尺對拱頂沉降的影響程度遠小于臺階長度對拱頂的影響；開挖進尺對掌子面變形的影響較大，隨著開挖進尺的不斷增大，掌子面變形基本呈線性增長，從7 mm增大至13.4 mm，增長幅度為6.4 mm，開挖進尺增大，掌子面受前方及上方壓力的影響逐漸增大，導致掌子面向臨空面發(fā)生較大變形， 因此仍然建議臺階法施工時上臺階每循環(huán)開挖進尺不應大于2.0 m，當圍巖穩(wěn)定性較差時，應控制在1～1.5 m。

圖6 開挖進尺對洞室沉降變形的影響

3.4 討論

通過數值模擬，對后坪隧道順層偏壓Ⅳ級圍巖段的開挖參數進行了模擬分析，從臺階高度、臺階長度和開挖進尺3 個方面進行綜合考量， 認為：臺階高度取5 m、臺階長度取16 m、開挖進尺取2.0 m時，可確保隧道拱頂沉降較小，掌子面變形不大，同時隧道各個位置處的偏壓現象均在合理范圍內。

經現場多個開挖斷面測量結果表明： 拱頂的平均沉降值為17.34 mm，左邊墻的平均水平位移量為17.151 mm， 右邊墻的平均水平位移量為18.002 mm，洞室的平均水平收斂值為35.153 mm，表明采取本文提出的開挖方法合理，能夠有效抑制隧道開挖變形量，保證施工安全。

4 結論

以后坪隧道順層偏壓Ⅳ級圍巖段為研究對象，對不同臺階高度、臺階長度和開挖進尺工況下的圍巖受力變形情況進行了模擬分析，通過計算分析并結合實際工程施工需要，認為當臺階高度取5 m、臺階長度取16 m、 開挖進尺取2.0 m 時為最佳的開挖施工參數，可確保隧道拱頂沉降較小，掌子面變形不大，同時控制隧道各個位置處的偏壓現象均在合理范圍內。