深埋隧道三台阶法施工围岩变形模拟研究

DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.02.008
深埋隧道三台阶法施工围岩变形模拟研究＊
赵彦君
（兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070）
摘 要：为研究香山隧道三台阶开挖围岩变形情况，选择模拟段运用PLAXIS3D 有限元软件进行2次三台阶法开挖全过程模拟，并在不同位置设置监测点进行变形分析。

结果表明，此次模拟隧道最大沉降达2.51 cm ，在拱顶部位沉降最大，拱肩沉降次之，拱腰位置沉降最小，拱脚则出现隆起现象；隧道最大收敛为1.39 cm ，收敛变形最大部位在拱腰，拱肩其次，拱脚最小，距离各个台阶大约0.7倍洞径时收敛变形开始严重；此次模拟得出掌子面挤出变形较小，变形位置主要在上台阶；现场施工中需要注意拱顶和拱腰部位变形情况，同时也要预防上台阶开挖可能出现掌子面挤出破坏情况。

所得结果可为类似地质条件下隧道施工提供参考意见。

关键词：深埋隧道；三台阶法模拟施工；PLAXIS3D ；围岩变形
中图分类号：U451 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）02-0031-04
——————————————————————————＊［基金项目］国家重点研发计划资助项目（编号：2018YFC1504901）
随着国家经济建设的快速发展，铁路隧道建设工程越来越多，数量呈井喷式增长。

基于不同复杂地质条件，学者们在技术发展与创新的基础上不断探索[1-4]，为隧道工程学科提供施工新方法和新技术。

在隧道施工中，围岩的变形至关重要，许多专业人士对这方面进行了研究。

随着现代科技的不断创新，数值模拟的运用愈加广泛。

皇甫明等（2005）[5]
通过数值模拟分析了台阶长度和核心土长度对隧道工作面的水平位移、底层沉降和主应力分布的影响。

蒲松等（2022）[6]
通过数值模拟设置了不同支护方案来分析掌子面的稳定性。

汪小敏
等（2007）[7]
通过有限元软件模拟两台阶法开挖，分析得出控制围岩变形的台阶长度。

张飞（2022）[8]通过数值
模拟设置多种开挖工法，对比分析不同工法对于隧道稳定性的影响。

林可夫和项彦勇（2021）[9]
对各种参数进行数值模拟正交试验，优化了参数，并对围岩的稳定性进行了分析。

李建宇等（2019）[10]
通过数值模拟对比分析了隧道拱顶沉降和拱脚水平收敛。

PASSARIS 等（1993）[11]
利用数值模拟方法，研究了特殊岩层中的
隧道顶板的稳定性。

TONON ＆AMADEI （2002）[12]利
用数值模拟方法研究了隧道断面变形影响情况。

王文
正（2003）[13]利用ANSYS 软件提出了一种模拟隧道施
工过程的方法，并对常见的几种隧道施工方法进行了
模拟，分析了隧道施工时的结构受力模式。

李福
献（2021）[14]以某砂岩隧道为例，利用数值模拟，对比分
析了围岩应力和位移的变化规律。

本文以中兰铁路香山隧道为依托，依据现场工程概况进行模型建立和施工模拟开挖，对开挖过程中隧道周边围岩变形进行分析，旨在为类似地质条件下隧道工程建设提供一定的理论依据。

1 工程地质概况
1.1 隧道概况
香山隧道位于宁夏中卫市沙坡头去常乐水车村至乱井子附近，穿越香山山脉。

香山隧道起讫里程为DK39+990—DK57+753.3，全长17 763.3 m ，其中Ⅲ级围岩12 275 m ，Ⅳ级围岩2 745 m ，Ⅴ级围岩2 743 m 。

隧道最大埋深约380 m ，隧址区地貌单元为低中山区，地形切割强烈，间歇性沟谷发育。

隧道设计行车速度250 km/h ，双线，线间距4.6 m 。

香山隧道为双线铁路隧道，隧道断面宽14.46 m ，高12.32 m ，现场采用三台阶开挖法，在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短了台阶的长度，最终确定每次开挖台阶的长度为3～5 m ，上台阶（1）开挖高度4.50 m ，中台阶（2）开挖高度2.70 m ，下台阶（3）开挖高度5.12 m 。

隧道施工断面如图1所示。

单位：m
图1 隧道施工断面图
2.70
4.50
5.12
12.32
1.2 地层岩性
根据地质调绘和勘探揭示，隧址区地层岩性主要
有第四系全新统冲洪积细（粗）圆砾土，上更新统风积砂质黄土，上第三系中新统红柳沟组砂岩夹泥岩、砾岩；石炭系上统太原组砂岩夹泥岩、页岩、煤层；石炭系下统前黑山组上段砂岩夹泥岩；石炭系下统前黑山组中段灰岩；石炭系下统前黑山组下段砂岩；泥盆系上统老君山组上段砂岩夹砾岩、泥岩；寒武系变质砂岩、板岩、千枚岩和灰岩。

选取DK43+925—DK44+000段为模拟段，通过查阅现场工程地质勘察报告，模拟段地层主要由上第三系中新统甘肃群红柳沟组砂岩（N
1h
Ss）组成，岩性特征概
述如下：①上第三系中新统甘肃群红柳沟组（N
1h
）。

岩性主要为橘黄色中厚层状泥质粉砂岩、泥岩夹灰白色细粒长石石英砂岩，局部可见浅橘黄色厚层状砾岩，局部地段含白色石膏层。

岩层产状∠15°。

②砂岩。

橘黄色，局部为灰白色，粉细粒结构，局部为中细粒结构，中厚-厚层状构造，泥质胶结，局部为泥钙质胶结，矿物成分以长石、石英为主，节理发育，属软质岩。

1.3 水文特征
隧道测区穿越水文地质单元较单一，穿越低中山区，该区为中生代及古生代坚硬岩石组成的低中山水文地质区。

岩体裂隙较发育，利于地下水储存，地下水沿裂隙径流。

但由于气候干燥，降水量甚少，致使山区地下水的水量较贫乏，基岩裂隙泉少。

据调查，测区下降泉大部分已干涸。

由于含盐地层的影响水质较差。

地下水埋藏条件较复杂。

山区地下水在水循环带中属补给区。

由于各自所处的自然地理地质环境的不同，其水质水量均有差异。

山区地下水动态特征与大气降水量变化较吻合，也直接反映在沟谷潜水的动态变化
上。

上第三系中新统甘肃群红柳沟组（N
1h
）由透水岩层与隔水岩层共同组成了承压水斜地型蓄水构造，属弱富水地段。

2 模型建立
2.1 土体模型建立
DK43+925—DK44+000模拟段隧道埋深平均100 m，隧道断面宽14.46 m，高12.32 m，对于该段隧道进行土体模型的建立。

本次采用PLAXIS3D有限元软件进行数值模拟，并对结果进行分析。

隧道由中心线两边对称，为了简化计算步骤，只建立了1/2的模型进行模拟，另外需要确保模拟结果的准确性，土体模型建立时需要考虑边界效应消除情况，通过查阅文献可知，隧道中心线至土体模型边界的距离应不小于5倍洞径[15]。

鉴于此，x轴定义为模型长度，设定长度为100 m；y轴定义为隧道开挖方向，同样设定为100 m；z轴定义为隧道埋深方向，设定150 m。

隧道轮廓设计在xz平面，隧底距模型底部边界0.35 m，沿y轴进行隧道模拟开挖，依据现场隧道工况，土体开挖设计长度为40 m，开挖台阶长度设计为5 m。

建立模型后对模型左右两侧设置水平位移约束，模型底部设置竖直位移约束。

模型建立示意图如图2所示。

图2 模型建立示意图
模拟段土体岩性为砂岩，依据现场勘察报告，隧道围岩力学参数如表1所示。

表1 试验段围岩力学参数
项
目
地
层
饱和重度γ/
（kN·m-3）
20.5
弹性模量E/
MPa
26
泊松
比ν
0.3
粘聚力c/
kPa
12.38
内摩擦
角φ/（o）
37.46 2.2 监测点设置
土体与隧道模型建立完成后进行网格划分，首先对粗糙因数进行设置，对于不同部位的土体，网格划分的细密程度不同。

为了准确模拟，应当细致划分隧道需要开挖的土体，开挖部分土体粗糙因数设置为0.35，未开挖部分土体粗糙因数设置为1，粗糙因数越小，网格划分越细致。

网格划分生成了23 558个单元、38 022个节点，选取部分节点当作监测点用来分析隧道开挖时围岩变形。

隧道周边主要变形监测位置有拱顶、拱肩、拱腰、拱脚及掌子面，其中拱顶测试拱顶沉降，拱肩、拱腰和拱脚测试收敛变形，掌子面测试挤出变形。

同时，分别在这些位置选择附近节点进行设置，具体布设位置坐标如表2所示。

监测点布设示意图如图3所示。

表2 监测点布设位置表
单位：m 位置
拱顶
拱肩
拱腰
拱脚
掌子面
编号
G1
SA
SB
SC
Z1
坐标（x，y，z）
（0，26.9，﹣100.90）
（5.36，27.10，﹣104.40）
（7.25，21.94，﹣108.80）
（6.32，17.19，﹣112.80）
（0，40，﹣107.80）X
Y
Z
Y
X
Z X
Y
Z
图3 监测点布设示意图
2.3 分段施工设计
现场施工采用三台阶法开挖，因此本次模拟也采用同样的方式进行土体开挖设计。

本次完整模拟了隧道开挖的2个循环，用来分析隧道周边围岩变形情况。

各台阶土体开挖之前，需要先设计三台阶开挖的初始位置，之后按照上、中、下台阶的顺序依次进行开挖，具体开挖流程为：三台阶初始位置→上台阶1开挖→中台阶1开挖→下台阶1开挖→上台阶2开挖→中台阶2开挖→下台阶2开挖→结束。

分段施工示意图如图4
所示。

图4 模拟开挖示意图
3 模拟结果分析
本次对隧道三台阶法开挖过程进行模拟，主要是为了分析隧道正常施工中围岩变形情况，因此从上台阶1开挖开始分析，全部开挖结束共计算了26步。

为了便于分析，将各台阶的开挖与计算步骤整理对应，计算步骤和台阶开挖的换算结果如表3所示。

表3 计算步骤对应表
台阶位置上台阶1中台阶1下台阶1上台阶2中台阶2下台阶2
对应步骤1～4步5～9步10～13步14～16步17～20步21～26步
3.1 拱顶沉降分析
全部模拟开挖结束后拱顶最终沉降变形如图5所示。

由图5可知，拱顶沉降变形整体呈“圆锥”形发展，并且与距掌子面轴向长度呈正相关，距离掌子面越远，拱顶沉降越大，最大沉降达到了2.51 cm 。

从隧道截面来看，拱顶部位沉降最大，拱肩次之，到拱腰位置时竖
直方向几乎没有沉降，
拱脚位置则出现隆起现象。

图5 拱顶沉降变形
拱顶沉降监测点G1随各个台阶开挖的沉降曲线如图6所示。

观测图6可知，2次完整施工过程结束后，G1测点位置下沉了2.16 cm 。

曲线整体趋势呈2个阶段，1～13步为一阶段，14～26步为二阶段，每个阶段中初始步骤上升趋势明显，一阶段为1～4步，二阶段为14～16步，分别对应上台阶1和上台阶2的土体开挖，表明上台阶土体对于拱顶沉降的限制作用最大，而其余部位开挖后，虽然仍有沉降出现，但沉降变形较小，因此施工中上台阶开挖后需要及时施作支护，防止拱
顶变形过大造成严重损失。

拱顶沉降/c m
图6 G1沉降曲线
3.2 收敛变形分析
全部模拟开挖结束后最终收敛变形如图7所示。

由图7可知，隧道断面收敛变形主要出现在拱腰位置，并且与各个台阶的进深位置有关，在距离各个台阶大约0.7倍洞径时收敛变形开始严重，随着距离越远，变形越大。

本次模拟得出最大收敛达1.39 cm ，施工中需要对拱腰位置进行重点防护。

图7 隧道收敛变形
各测点收敛变形曲线如图8所示。

由图8可知，三处位置收敛变形都在逐步增大，其中拱腰位置收敛最
大，达1.28 cm ，拱脚位置收敛最小，只有0.60 cm ，拱肩位置的收敛为0.84 cm ，与上述变形分析结果相对应。

按照台阶土体开挖发现，第一轮隧道施工循环（1～13步）对于收敛影响明显，并且在这轮循环施工中拱腰位置收敛曲线上升幅度最大，随后的施工收敛趋势缓慢，因此现场施工中应该在各台阶开挖后0.7倍洞径距离内完成各部位的支护工作。

收敛/c m
图8 各部位收敛变形
3.3 挤出变形分析
全部模拟开挖结束后掌子面挤出变形如图9所示。

由图9可知，在整个开挖模拟结束后，掌子面挤出变形较小，主要变形位置出现在上台阶，说明上台阶的开挖对于掌子面的影响最大，因此在隧道施工中，需要在上台阶开挖后进行及时的超前支护。

图9 掌子面挤出变形
4 结论
利用PLAXIS3D 有限元软件、依据现场施工情况，模拟了香山隧道三台阶法开挖过程，对隧道围岩变形进行分析，通过模拟结果得知：①隧道拱顶最大沉降达2.51 cm ，并且拱顶部位沉降最大，拱肩沉降次之，拱腰位置在竖直方向几乎没有沉降，拱脚则出现隆起。

上台阶开挖对于拱顶影响最大，开挖结束后需要及时施作防护，防止拱顶变形过大造成严重损失。

②距离各个台阶大约0.7倍洞径时收敛变形开始严重，随着距离越远，变形越大，本次模拟得出最大收敛达1.39 cm 。

通过收敛曲线得知，收敛变形最大部位在拱腰，拱肩其次，拱脚最小，施工中需要对拱腰位置进行重点防护，并且现场施工中应该在各台阶开挖后0.7倍洞径距离内完成各部位的支护工作。

③掌子面挤出变形较小，变形位置主要在上台阶，隧道施工中需要在上台阶开挖后进行及时的超前支护。

④现场施工中需要注意拱顶位置沉降，限制拱腰部位收敛，预防上台阶开挖时掌子面挤出变形过大导致失稳的情况。

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作者简介：赵彦君（1998—），男，山西介休人，硕士，研究方向为岩土和隧道工程。

（编辑：王雨茜）。