施工工法对浅埋偏压隧道围岩稳定性的影响

摘 要：以湖北省西北部某山区高速公路隧道为研究对象，利用三维有限元对浅埋偏压隧道采用全断面法、三台阶七步法、CD法、双侧壁导坑法等四种不同施工工法时围岩稳定性进行了数值模拟，分析了围岩的塑性区和中夹岩位移变化。研究表明，双侧壁导坑法为最优施工方法。同时，在采用双侧壁导坑法施工时，应注意临时支护的柔性支护设计，对临时支护的尺寸及刚度设计、最终拆除时机等也需通过计算分析和现场实测资料等综合判断。

关键词：浅埋隧道； 偏压； 施工工法； 围岩稳定性； 数值模拟

引言

偏压隧道所处围岩一般为地表以下一定深度范围内由原岩风化形成的强风化层或坡积层，主要是以松散结构和黏性易蠕动的松软土层为主的Ⅵ、Ⅴ级围岩，或者是节理裂隙发育、结构面风化强烈岩体构成的Ⅵ级围岩。此类隧道存在围岩破碎、埋深浅、围岩受力不对称等地质问题，极易发生滑塌、冒顶、山体地表开裂、支护失稳等工程灾害[1]。在我国隧道施工中，新奥法设计施工经过多年的探索和经验总结，已日趋完善。但对于浅埋偏压地段，隧道安全通过问题仍没有一个良好的、可达成共识的解决方案。在此种地段下的隧道施工，应慎之又慎。如果施工设计方案不成熟，稍有疏忽极有可能造成塌方或隧道受偏压整体移位[2， 3]。

浅埋偏压隧道与深埋隧道相比，一般地质条件较差，岩体自稳能力低，难以形成载拱，开挖过程中受外界扰动的影响容易坍塌。其受力状态和力学计算方法也不同于常规隧道，浅埋偏压隧道的衬砌结构和围岩受力不对称，更容易发生剪切破坏和整体失稳。隧道进出口由于成洞条件较差，靠山体一侧会出现高边坡，洞口开挖极有可能破坏原有山体的稳定，诱发地质灾害，严重威胁隧道施工安全和行车安全，同时也破坏了山体坡面的原貌，造成环境的破坏[4]。

隧道施工过程中，不同的施工工法下，隧道围岩应力应变规律和塑性区形成过程是不相同的，隧道开挖轮廓线的形变也会不同[5-7]。目前浅埋偏压隧道洞口一般采用较长明洞，以大刷方、大开挖方式进洞，最后再在洞门、明洞洞顶回填土石以稳定边仰坡。这种大开挖方式进洞不仅与环保理念相违背，还会因边仰坡刷坡过高带来山体的稳定性问题。

因此，研究不同的施工工法对软弱围岩浅埋偏压隧道稳定性的影响，探讨合理的施工方法，一方面可丰富现有的浅埋偏压隧道理论，另一方面对提高我国隧道建设的整体水平也具有重要的意义。

1 数值模型建立

依托工程概况

依托工程为湖北省西北部某山区隧道，隧道经过区域冲沟及鸡爪状地形发育，主要为斜坡，地势起伏较大，切割深度较深，山坡坡度一般较陡，多为30～40°，局部在45°以上。左幅隧道长1009m，最大埋深221m；右幅隧道长1065m，最大埋深217m。左、右线进口分别位于山脊东侧斜坡交界处，距路线右侧107m处发育一条小溪沟，宽约2～5m，和路线斜交而过。洞口仰坡岩层为残坡积物和强风化炭质板岩，节理裂隙很发育，围岩为Ⅴ级，浅埋段，成洞条件较差。

计算模型

本文数值分析均采用MIDAS/GTS软件进行，根据隧道实际情况设置两个地层，上覆地层为强风化炭质板岩，下伏地层为弱风化炭质板岩，如图1所示。小漩隧道数值模型采用三维有限元四面体4节点单元，单元总数为311682，节点总数为55289。

计算时围岩材料力学参数采用工程地质勘查报告中所提供的参数，具体物理力学参数如表1所示。围岩材料力学特性假定遵循Drucker-Prager屈服准则（即D-P准则）。

施工工法的模拟

在国内浅埋偏压隧道工程实践中，针对不同的围岩地质条件出现了多种开挖方法，如：全断面法、台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。本文选择全断面法、三台阶七步法、CD法、双侧壁导坑法等四种方法进行数值模拟，分析不同施工工法条件下围岩位移和应力分布特征、塑性区分布等。

2 计算结果分析

中夹岩位移分析

对于小净距隧道，两隧洞之间的中夹岩稳定性是一个重要的问题，施工中要保证其稳定性，现对中夹岩的位移变化进行分析，选取模型y=0m和y=60m两断面为分析对象，分析所取的特征点位置如图2所示。

图3和图4为各种施工方法下中夹岩各特征点位移情况。从图中可以看出，在各种工法下，中夹岩水平位移从上到下依次减小，向浅埋侧偏移；而竖向位移从上到下依次增大，且整体呈向上隆起趋势。对比四种施工方法，双侧壁导坑法开挖引起中夹岩各特征点的水平位移和竖向位移均明显小于其他工法，CD法次之，然后是三台阶七步法和全断面开挖法。

围岩塑性区分析

在岩土体中开挖地下硐室，当应力超过岩土体强度时，硐室周边围岩破坏，将形成一个塑性松动变形区，即为塑性区，隧道围岩塑性区分布是判断围岩整体稳定性的一个重要指标，图5为四种施工方法下围岩的最终塑性区分布云图。

从图5可以看出，硐室开挖结束后，双侧壁导坑法和CD法开挖塑性区发生在深埋硐室右侧拱脚和拱肩临时支护与初期支护接头处，三台阶七步法和全断面法的塑性区分布范围及大小基本一致，主要集中在中夹岩和深埋隧道外边墙处。双侧壁导坑法施工时，中夹岩处基本未出现塑性区，CD法施工时，中夹岩最大塑性拉应变为0.00198，三台阶七步法为0.00568，全断面法为0.00530，这表明，双侧壁导坑法相对于其他施工方法更易于控制中夹岩塑性区的发展，对中间岩柱及隧道整体稳定性均有利。

在双侧壁导坑法和CD法施工时，深埋侧硐室右侧拱脚和拱肩临时支护与初期支护接头处出现了较大的塑性区，这是由于临时支护具有一定的刚性，使临时支护两端的围岩和初期支护产生较大的应力集中，出现局部破坏，因此在采用双侧壁导坑法施工时，应注意临时支护的柔性支护设计，同时，对临时支护的尺寸及刚度设计、最终拆除时机等也需通过计算分析和现场实测资料等综合判断。

3 结论

本章结合某山区隧道实际工程情况，通过三维有限元数值模拟方法，对浅埋偏压隧道施工方法、进行了研究，得到如下结论：不同的施工方法对隧道围岩稳定性的影响主要表现为，双侧壁导坑法为最优施工方法，对围岩位移、中夹岩位移应力及围岩塑性区影响都较小；CD法和三台阶七步法各有优势，CD法对围岩位移的影响较三台阶七步法小，而台阶法在控制围岩塑性区方面较优，而且在实际工程中，三台阶七步法更有利于施工；全断面法最差，对于浅埋偏压软弱围岩隧道不能采用全断面法开挖。

参考文献（References）：

[1] 杜虎. 浅埋软岩隧道围岩变形规律和支护受力特性研究[D]. 北京： 北京交通大学，2014.

[2] 毕露成， 朱锴. 双液注浆锚管加固在渗水软弱围岩浅埋偏压隧道中的应用[J]. 广州大学学报， 2001， 15（8）： 15-20.

[3] 王书刚， 李术才， 王刚. 浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究[J]. 岩土力学， 2006， 27（增刊）： 364-368.

[4] 王洋. 马鹿沟浅埋偏压隧道的设计研究[D]. 西安： 长安大学， 2013.

[5] 唐仪兴， 张玉军. 近距离双隧道开挖与支护的稳定性有限元计算[J]. 岩土力学， 1999， 20（1）： 87-92.

[6] Cai M. Influence of stress path on tunnel excavation reponse-numerical tool selection and modeling strategy[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2008， 23（6）： 618-628.

[7] 张延新， 蔡美峰， 乔兰等. 高速公路隧道开挖与支护力学行为研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2006， 25（6）： 1284-1289.

作者简介：

李扬（1985-），男，湖北石首人，工程师，硕士研究生，从事隧道工程和桥梁工程的设计及理论研究工作。

付星燃（1985-），男，湖北大悟人，工程师，硕士研究生，从事隧道工程和桥梁工程的设计及检测加固工作。