隧道施工工法对结构变形的影响研究

隧道施工工法对结构变形的影响研究
发布时间：2022-05-19T01:38:11.329Z 来源：《中国建设信息化》2022年3期作者：董学海[导读] 本文采用迈达斯GTS软件进行多种工法的施工模拟，计算得到各种工法下地面、初支和二衬结构的变形。

董学海
（中铁二十五局集团第四工程有限公司广西柳州 545007）摘要本文采用迈达斯GTS软件进行多种工法的施工模拟，计算得到各种工法下地面、初支和二衬结构的变形。

通过比较分析计算结果可知，CRD法对结构变形具有较好的限制作用，三台阶预留核心土法施工引起的变形也在可控范围内，在允许结构产生一定变形的前提下，可优先采用三台阶预留核心土法。

该工法的关键在于，上部台阶施工后及时进行初支封闭。

初支封闭后可有效降低变形速率并使得变形逐渐趋于稳定状态。

上、中台阶施工是围岩变形控制的关键阶段。

关键词：三台阶预留核心土法、CRD、数值模拟
Study on the influence of tunnel construction method on structural deformation Dong xuehai
(China Railway 25 Bureau Group Fourth Engineering Co., LTD. Guangxi Liuzhou 545007) Abstract Midas GTS software is used to calculate the deformation of ground, primary branch and secondary lining structures.According to the comparative analysis and calculation results, it is known to see that CRD method has a good limiting effect on structural deformation, and the deformation caused by the three-step reserved core soil construction is also within a controllable range. On the premise of certain deformation of the structure allowed, the three-step reserved core soil method can be preferred.The key to this method is that the initial branch is closed in time after the construction of the upper steps.Reduce the deformation rate and make the deformation gradually go to a stable state.Upper and middle step construction is the key stage of surrounding rock deformation control. Keywords Three steps reserved core soil method, CRD, numerical simulation
0 引言
为满足国家基础交通运输的建设需要，公路工程建设在西南地区快速发展。

由于西南地区地形复杂，以山地形貌为主，因此不可避免需要修建大量的山岭隧道来克服地形条件带来的限制。

通常隧道施工的作业面比较小，同时对施工工艺要求比较严格。

因此，选择合适的隧道施工方案成为了关键性的工作。

目前，在山岭隧道工法选择方面，国内外学者已做了大量的研究和探讨。

施成华等［1］利用随机理论依托桐油山连拱隧道研究了隧道纵横向的地表变形规律。

周玉宏等［2］通过数值计算软件进行了多种开挖顺序模拟，围岩在各个施工阶段的应力、应变状态。

张顶立等［3］选择以大跨隧道的复杂地质作为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法对不同开挖方法及支护方式下围岩变形特点和结构稳定性进行了分析。

刘小军等［4］提出了针对软弱围岩隧道洞口失稳问题的科学治理措施。

王国欣等［5］研究了隧道入口段的施工优化、塌方治理及破碎围岩加固等一系列问题。

王茜等［6］结合 FLAC3D研究穿越入口段断层破碎带不同施工方案对小净距隧道围岩稳定性的影响。

李利平等［7］采用FLAC3D系统针对海底隧道穿越岩石破碎带时采用不同开挖工法引起的围岩变形和破坏特性进行了分析，并寻求了最优施工方案。

目前山岭隧道围岩稳定性影响研究仍处于经验积累阶段，依靠经验难以做到放之四海而皆准。

本研究依托松潘隧道软弱围岩段作为工程背景，建立数值分析模型对开挖过程进行模拟分析，建立不同工法的数值模型，进行模拟研究，提出适合于该隧道的施工工法，为类似工程提供参考。

1 工程概况
该隧道位于松潘县城东侧，地形起伏较大，属傍山隧道，该隧道全长8048m，进出口均位于右偏半径R=2804.53曲线上，设计为双线隧道，最大坡度17‰。

河谷内发育岷江断裂，受活动断裂影响，斜坡岩体极破碎，不良地质发育。

隧道埋深浅，围岩多以炭质板岩为主，为软质岩，滑坡对工程有一定影响，隧道穿越该段时，可能引起滑坡复活或产生滑动，威胁民房安全。

隧区地下水主要为基岩裂隙水，为富水性中等的岩组，地下水侵蚀性等级为H1。

正常涌水量约10000m3/d，雨季最大涌水量约1.5×104m3/d，地震动峰值0.20g、0.30g。

隧道断面信息如下图所示。

图1 复合式衬砌断面示意图
2 隧道工法模拟计算
2.1模型建立
模拟计算采用Midas GTS NX进行，考虑到“边界效应”的影响，模型宽度范围选取3~5倍隧道直径（３Ｄ～５Ｄ），高度选取稳定地层，整个模型尺寸为104m（高）×179m（长）×20m（宽）。

隧道周边围岩按均质岩层考虑,坡面覆土较薄，下伏基岩。

地层采用三维实体单元进行模拟，初支和锚杆分别采用Shell单元和Liner单元。

隧道掘进方向为Y，重力方向为Z，模型上表面为地面，为自由边界；其他边界面均施加约束。

隧道周边的网格组进行加密处理，远离开挖区域的网格组相对比价稀疏，这样设置的目的是为了提高计算精度和计算速度。

图2 复合式衬砌断面示意图
2.2 核心参数选取
地质参数的选取根据地勘报告获得，结构尺寸的取值根据设计图纸取值。

本小节研究的核心参数取值，主要是针对钢拱架的支护作用，本文的处理方法是将钢拱架的强度指标（弹性模量）折算到初支混凝土中，具体计算公式如下：
式中：EC为折算后混凝土弹性模量（MPa）；E0为原混凝土弹性模量（MPa）；AS为钢拱架截面面积（cm2）；ES为钢材弹性模量（MPa）；AC为混凝土截面面积（cm2）。

2.3 数值模拟工况
进行4种不同隧道开挖工法的数值计算模拟，分别定义如下：工法1三台阶预留核心土法（现场实际工法），工法2为三台阶临时仰拱法、工法3为临时中隔壁法（CD法）、工法4为临时中隔壁+临时仰拱（CRD法）。

通过比较4种工法下围岩的竖向位移，水平位移，来评估各种工法的效益。

3 计算结果分析
通过对比4种工法开挖引起地面沉降变形、初支变形及二衬变形，选择合理的施工工法。

3.1地面沉降变形
图6 CRD法施工引起地面变形云图
由图３~图6可得：4种工法开挖引起的地面竖向位移呈现比较典型的“凹”形，地面竖向沉降均为8mm，变形趋势和大小较一致，且沉降影响宽度较大，地表重心处沉降量最大，向两侧逐渐减小，减小速率随着距离逐渐减小。

3.2初支变形
图7~图14为４种工法施工完成后，初支结构的纵向位移和水平位移。

从计算云图7~图10分析可知：4种工法引起的初支整体变形在拱顶较为明显，拱顶产生较大沉降，下部仰拱有隆起趋势，整体变形呈对称分布状态，水平最大位移出现在拱脚处，隧道施工过程中纵向总体变形较小，可忽略不考虑。

从图11~图14分析可知：水平位移的变化趋势与竖向位移变化规律整体相似，但水平位移数值较竖向位移大，表明松散软岩隧道开挖初期，围岩应力释放时，初始地应力较大，但从整体考虑竖向位移大于水平位移，也体现出了松散软弱围岩隧道最大位移与最大主应力方向正交的规律。

另外，通过计算结果可知，三台阶法在上台阶开挖时位移增加较大，而在中、下台阶施工时均比CD法和CRD法小，这表明采用三台阶法施工，上部应及时进行初期支护施工，做到及时封闭初期支护，以达到降低变形增长速率的目的，，也进一步表明初支及时封闭对围岩变形控制具有重要作用。

而CD法和CRD法法工序复杂、施工对周围岩体扰动频繁，初支闭合时间长，初支封闭台阶长度长，所以各施工阶
段围岩变形减小缓慢，但总体变形较小。

图10 三台阶临时仰拱法引起初支纵向变形云图
图14 CRD法施工引起初支纵向变形云图
3.3二衬变形
通过计算可知，三台阶预留核心土法施工引起的二衬最大位移为4.6mm，另外三种工法引起的最大位移比较接近约为3.9mm，整体变形符合力学规律。

图16 三台阶临时仰拱法引起二衬变形云图
图18 CRD法施工引起二衬变形云图综上所述，不同工况下地面沉降位移规律如下：工法一＞工法二＞工法三＞工法四；初支水平位移大小关系为：工法一＞工法三＞工法二＞工法四；二衬位移整体相差较小；由此可知，CRD法施工对地面变形、初支变形和二衬变形都有比较的控制作用，而三台阶预留核心土法引起的变形也在可控制的范围内。

综合考虑工期、施工难度、施工工序及技术经济效益等，在允许结构产生一定变形的前提下，优
先考虑采用三台阶阶预留核心土法。

4 结论与建议
本研究以松潘隧道软弱围岩段暗挖偏压隧道为依托工程，结合有限元数值分析软件，计算比较在不同工法下，地面、初支及二衬的变形差异。

确定了复杂围岩条件下最合适的偏压隧道开挖支护方案，保证了围岩稳定和施工安全。

主要结论如下:（1）采用三台阶预留核心土法施工，上部台阶施工后，及时进行初支封闭可有效降低变形速率并逐渐趋于稳定状态。

虽然整体变形控制不如CRD法明显，但综合考虑施工难度、工期及经济效益的情况下，可优先考虑采用三台阶预留核心土法施工。

受岩层及地下水的综合影响，总体表现出一些显著特点，比如围岩变形量大、变形速率快，拱架扭曲变形，变形易受开挖扰动等。

施工工法和施工时序如果衔接不紧密可能会引起，初期支护的封闭不及时，导致上、中台阶开挖时候出现较大的围岩变形。

破坏过程将演变为：围岩变形量增加→初支出现裂缝、掉块→拱架发生扭曲→初支开裂、掉块加剧→溜塌或冒顶塌方。

因此，上、中台阶施工是围岩变形控制的关键阶段。

参考文献
[1] 施成华, 彭立敏, 刘宝琛. 浅埋隧道开挖对地表建筑物的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(19):7.
[2] 周玉宏, 赵燕明, 程崇国. 偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002.
[3] 张顶立, 王梦恕, 高军,等. 复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(2):290-290.
[4] 刘小军, 张永兴, 高世军,等. 软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术[J]. 岩土力学, 2012, 33(7):6.
[5] WANG Guoxin, XIE Xiongyao, HUANG Hongwei,等. MECHANISM ANALYSIS AND MONITORING FORECAST OF LANDSLIDE AT ROAD TUNNEL FACE公路隧道洞口滑坡的机制分析及监控预报[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(2):268-274.
附：作者简介董学海，男，1988.11，湖北工业大学，土工工程专业，工程师，项目副经理兼总经济师，铁路、公路工程成本核算，。