软岩大断面隧道施工变形控制研究_张瑞国.pdf

196工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工覆土层压力为 2.5106Pa。约束水平方向的两侧边界位移，约束隧道底部的竖向位移，以单向约束隧道前后。在隧道初期支护中，锚杆用于发挥锚固作用。在有限元模拟时，使用三维杆单位 T3D2 对锚杆进行模拟，通过 C3D8R 实体单元模拟衬砌和围岩。该模型包含 48823 个单元和 49461个节点，如图 1 所示。2 不同开挖方法比选分析模拟分析对比常见的三种隧道施工方法，整理所得的衬砌等应力数据，再比选分析施工方案，结合现场实际选取 V 级围岩的最佳开挖方式。2.1 围岩位移分析2.1.1 各控制点围岩位移因存在对等的开挖断面以及边界条件，拱顶和底板围岩所出现的变形主要为竖向位移，仅有较小的水平位移，且方向朝向隧道里。边墙围岩变形主要为水平位移，仅有较小的竖向位移。拱脚以及墙脚围岩的变形既包括水平位移，也包括竖向位移。其原因在于自重应力条件下拱顶围岩出现朝向洞内的变形，而拱脚、边墙和墙脚位置的围岩还需要承受侧向压力，底板围岩因无法进行水平移动而表现为竖向位移。若有底板时，其竖向位移也会被约束。不同的隧道开挖方式，对0 引言在隧道的施工控制中，软弱围岩段往往是关键部位1。如何确保隧道围岩稳定并使施工进度有所提升，是施工时需要考虑的关键问题。为使隧道施工更加快捷且安全，常以全断面法替代原有设计的短台阶法。但隧道在采用全断面法进行施工时的应力和位移等是否满足要求，初期支护是否需要强化等，都是施工人员需要重视的问题2。从隧道施工安全的角度考虑，对上述问题开展研究时非常有必要的。1 有限元分析某隧道工程长度 5360m，埋深最大值 439m。隧道进口路段有 9m 的明洞，而其围岩等级分别为 III、IV 和 V 级。采用有限元分析软件 ABAQUS 对其进行建模分析，隧道上软岩大断面隧道施工变形控制研究张瑞国摘要：以某隧道工程为研究背景，通过有限元分析软件 ABAQUS 进行数值模拟，探讨了隧道围岩在三种施工方法以及隧道是否施作底板时的位移和应力变化情况，为V级围岩中全断面法的应用提供理论支持，进一步确保隧道施工控制的安全性。从结果上看，以全断面法进行隧道施工时，围岩位移和应力均在允许值以下，需设置对应的超前支护措施，确保隧道施工时围岩的稳定性。关键词：隧道施工；变形控制；全断面法；有限元分析（中铁十九局集团有限公司，北京 100176）拱顶拱脚边墙墙脚底板图1 隧道开挖断面与岩体网络a 隧道开挖断面b 岩体网格CM&M 2023.01197于围岩的水平和竖向位移会造成不同的影响。围岩在全断面法施工时所产生的水平和竖向位移较大，预留核心土法施工时的围岩变形最小，表明围岩位移在较小的开挖断面时较小。及时施作支护可使围岩变形得到有效减小，在较差围岩等级下，通过采取不同的施工方法可使围岩位移得到有效减小。开挖隧道之后，位移变形与底板初期支护的施作与否有较大关系3。施作底板后墙脚水平位移不断减小，说明对于围岩水平位移而言，施作底板初期支护能使其得到较大程度的降低，并且使其他区域围岩位移得到一定程度的减小。此外，相比于施作底板初期支护的方式，改变开挖方式对围岩水平位移所产生的影响较小。围岩控制点位移如表 1 所示。由表 1 可知，通过预留核心土的方式进行施工可以使围岩水平位移和竖向位移得到有效的减小。但若墙脚在采用该种施工方法施工水平位移仍然较大，则可采用施作底板初期支护的方式进行控制。增加断面尺寸可能会导致围岩地质模式出现改变，使其从整体分散成为块状，因此减小开挖断面对于围岩等级而言有一定提高。全断面法施工相比于其他的开挖方法，围岩有较大变形，且该施工方法施工时底板处围岩存在最大的竖向位移。在研究围岩底板的变形时，因当前尚未定义何为大变形，故基于施工经验，给出判定软弱围岩大变形的标准。铁道路第二勘察设计院提出，在隧道施工并进行初期支护的施加之后，单线隧道支护结构出现 130mm 以上变形量、双线隧道支护结构出现 250mm 以上变形量，即为大变形。张祉道提出，开挖隧道并进行初期支护之后，因围岩地应力较大导致支护结构被破坏，且支护变形与跨度比值在 1.5%以上，即大变形出现在隧道围岩4。以上述定义为基础，结合数值模拟情况和现场支护情况进行分析，隧道在通过全断面法施工时所出现的变形为正常变形，可通过全断面法进行 V 级围岩隧道的施工。2.1.2 施作初期支护底板对围岩位移的影响全断面法施工时的围岩位移如图 2 所示。由图 2 可知，因开挖断面存在对称形状和边界条件等，因此以一半作为研究对象。对围岩水平和竖向位移而言，采用全断面法施工是否进行底板初期支护存在较大影响。以断面竖向位移的角度进行分析可知，拱部、边墙和底板处分布存在围岩竖向位移，且分别呈现出拱部下沉、墙脚和底板隆起现象。底部和拱部有较大的竖向位移，边墙有较小的竖向位移，对围岩竖向位移来讲，底板初期支护的施作与否的影响不大。拱部以下和边墙存在较大的水平位移，拱顶及底板则存在较小的水平位移。底板初期支护施加之后，墙腰到墙脚水平位移小幅度降低，说明底板初期支护的施作，能够使围岩水平位移有所减小。而通过台阶法或预留核心土法施工，围岩变形和底板施加与否的影响与全断面基本一致，在此不再赘述。2.1.3 同一断面不同施工方法对围岩位移的影响同一断面三种开挖方法引起的施工变形如图 3 所示。由图 3 可知，围岩的水平和竖向位移受到施工方式的影响 表 1 围岩控制点位移 mm开挖方法支护类型拱顶拱脚边墙墙脚底板水平竖向水平竖向水平竖向水平竖向水平竖向全断面法无底板0.327.014.617.520.32.311.410.60.229.2有底板0.325.713.316.817.72.11.68.90.327.1台阶法无底板0.221.212.513.616.71.09.69.00.122.4有底板0.218.110.211.713.30.71.37.30.118.5预留核心土法无底板0.115.79.210.012.50.76.77.40.116.2有底板0.114.88.39.411.10.51.26.20.115.0图2 全断面法施工时的围岩位移图3 同一断面三种开挖方法引起的施工变形无底板全断面法台阶法预留核心土法有底板竖向位移竖向位移水平位移水平位移注：为便于观察围岩位移大小扩大两倍注：为便于观察围岩位移大小扩大三倍198工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工较大。相同的施工方法中，竖向位移的变化规律为先增加后减小再增加，且相比于拱顶位置，底板处围岩竖向变形更大，通过全断面法施工的隧道存在较大的竖向位移。施工方法相同时，水平位移的变化规律为先增加后降低，且边墙围岩存在较大的水平位移，通过全断面法施工的隧道存在较大的水平位移。2.2 围岩应力分析围岩应力变化如表 2 所示。由表 2 可知，不同施工方法下，围岩应力最大值和最小值在不同施工方法下的差距较小，且第一和第三主应力均为压应力，即对于围岩应力而言，开挖方式的不同所造成的影响较小。采用全断面法施工时，底板初期支护是否存在的影响较小，即施工隧道后的围岩应力受施工方法的影响较小。2.3 软弱围岩施工方法对比各施工方法对比如表 3 所示。由表 3 可知，地质条件和施工技术要求不同时需针对性选择开挖方式。如围岩等级较高且对工期要求不高，通过全断面法进行施工更为合适。但采用该种方法进行施工之后的围岩变形较大，隧道稳定性较差，有较大的地表沉降量。在一般围岩等级条件下，若对施工工期要求较低，通过台阶法施工更为合适。该施工方法下的围岩变形较小，稳定性较高，沉降量较大。对于较差围岩等级下的隧道，通过预留核心土的方法进行施工效果更好。该种方法施工后的隧道变形较小，稳定性较高，地表沉降较小。隧道的围岩和应力虽然在使用全断面法施工时有较大值，但该种施工方法所需工期较短，这在具体项目施工是非常重要的5。理论上，台阶法和预留核心土的方法可在 V级围岩中进行施工。通过超前支护措施，苏家岩隧道 V 级围岩仍然可通过全断面法进行施工。针对上述模拟分析结果可知，隧道的围岩位移和应力在通过全断面法施工之后均在允许范围内，为此在数值模拟分析的基础上认为，通过全断面法进行 V 级围岩的施工是可行的。3 结语本文以某隧道工程为研究背景，通过有限元分析软件ABAQUS 进行数值模拟，探讨了隧道围岩在三种施工方法以及隧道是否施作底板时的位移和应力变化情况，为 V 级围岩中全断面法的应用提供理论支持。通过分析，得到如下结论：隧道开挖后的边墙存在最大的水平位移，底板存在最大的竖向位移。隧道在通过全断面法施工后出现最大的围岩变形和初期支护应力，而采用预留核心土的施工方法所得的数据则最小。墙脚水平位移可通过施加底板初期支护进行有效抑制。通过全断面法进行施工时存在最大的围岩位移和应力，但均在可控范围内，表明通过全断面法施工具有一定的可行性。通过全断面法进行隧道的开挖具有较高机械化程度、较快的施工速度等其他方法没有的优势，因此在该隧道 V级围岩中，为缩短工期，选择以全断面法进行施工。通过全断面法进行 V 级围岩隧道施工时，鉴于隧道掌子面在施工后的稳定性较差，施工时必须进行超前支护，以对掌子面前的围岩进行强化，确保围岩稳定。参考文献1 关宝树,赵勇.软弱围岩隧道施工技术 M.北京:人民交通出 版社,2011:67-104.2 丰正伟,刘新荣,傅晏,等.软弱结构面对隧道围岩稳定性的影 响研究 J.地下空间与工程学报,2009,5(4):745-749.3 赵正权,罗俊财,徐小敏,等.某隧道围岩稳定性有限元数值分 析 J.地下空间与工程学报,2009,5(S1):1285-1288.4 龚晓南.对岩土工程数值分析的几点思考 J.岩土力学,2011,32(2):321-325.5 张祉道.关于挤压性围岩隧道大变形的探讨和研究 J.现代隧 道技术,2003,40(2):5-12.表 2 围岩应力变化开挖方法支护类型/有无底板第一主应力/MPa最小主应力/MPa最大值（边墙）最小值（墙脚）最大值（边墙）最小值（底板）全断面法无-0.17-4.42-0.03-5.56有-0.16-4.97-0.10-5.68台阶法无-0.14-4.33-0.03-5.60有-0.12-4.83-0.10-5.74预留核心土法无-0.15-4.16-0.03-5.67有-0.12-4.68-0.10-5.75表 3 各施工方法对比全断面法台阶法预留核心土法适用条件围岩等级 IIV级；8m 以下的断面开挖跨度围岩等级 IIV级；12m 以下的断面开挖跨度围岩等级 IVVI级；12m 以下的断面开挖跨度围岩变形大中小工期较短短短防水好造价小中大锚杆/衬砌应力大中小安全性差中高难度低较低较高稳定性差中高地表沉降高中低