地应力极大地影响着隧道围岩变形,在隧道的设计和施工中,必须积累监控量测数据,进行统计性分析,掌握其最大主应力和最小主应力的大小和方位,特别要重视主应力方向与隧道轴线和节理裂隙之间的夹角:各隧道进口段斜坡坡度20～30°,基本无偏压现象,开挖时边、仰坡坡率采用1:0.75～1:1; 出口段斜坡坡度30～35°,有一定偏压现象,洞口开挖时边、仰坡坡率采用1:0.75～1:1.根据工程经验,只有在隧道3～5D洞径范围内的围岩才会受到隧道开挖的影响,为了降低模型边界约束对模型计算的影响,模型的隧道中心线到左右边界是 5D的距离,隧道底部距模型下边界为隧道高度距离的3倍,由于隧道模型的上边界设置为山体自由面,且模拟开挖过程的隧道埋深为55～70m左右,故这样隧道上覆岩层的作用仅有岩体自重应力场,模型分析时添加自重荷载即可.

隧道的开挖断面为三心圆+仰拱,其轮廓图和尺寸大小如图1和表1所示.模型的跨度为 100 m,最大高度为 115 m,上边界为山体绵延自由面,隧道的长度取120 m,采用上下两台阶法施工,每次开挖进尺 2 m,选取混合网格单元划分模型网格,模型共划分为 29 392 个节点和 28 120 个单元.隧道围岩、隧道开挖的锚杆支护、喷混和二次衬砌分别采用3D实体单元、植入式桁架单元和板单元进行模拟.GTS-NX 分析时是通过“钝化”和“激活”相应单元的功能模拟隧道开挖与支护,把隧道围岩设置为均质弹塑性材料,其开挖变形服从Mohr-Coulomb准则.模型的上部为无约束的自由面,侧面及底部采用边界位移自动约束.围岩计算模型和隧道锚杆衬砌如图3和图4所示.

图1 隧道断面示意图
Fig.1 Tunnel section

表1 隧道断面尺寸(三心圆+仰拱)
Tab.1 Tunnel section size (three-hearted circle + inverted arch)

其中,R1为隧道拱部半圆的半径; R2为隧道边墙大圆弧的半径; R3为隧道仰拱与侧墙间小圆弧的半径; R4为隧道仰拱的半径.

图2 围岩计算模型
Fig.2 Caleulation model for the surrounding rock

图3 隧道锚杆初衬
Fig.3 Particle analysis curve of loess

复合衬砌的计算参数根据等效刚度法原理换算,模型上部施加的均布荷载q=γh.根据各隧道的工程勘察资料以及施工设计资料,综合确定深埋隧道的围岩及支护结构的物理力学参数,参见表2.

表2 围岩及支护材料计算参数
Tab.2 Calculation parameters of surrounding rock and supporting materials

工程上根据不同的地质地貌、围岩级别大小及地下水发育情况选择不同的隧道施工方法,为了对比不同的隧道洞室开挖方法对围岩受力及变形的影响,分别建立两台阶法和CD法的隧道开挖模型进行研究,从理论上寻找出最佳的隧道开挖方法,同时仅以主隧道洞室的开挖步距为控制变量,建立开挖步距为1 m、1.5 m和2 m的隧道开挖模型,将三种开挖步距下隧道的施工工况保持一致,对不同开挖步距对隧道变形及受力的影响规律进行了研究.

从图4可以看出,隧道施工前围岩自身处于应力平衡状态,从图4(a)中知,应力最大值为2.100 MPa,最小值为8.863 kPa.图4(b)为上台阶开挖应力图,隧道掌子面开挖的向前推进,当上台阶开挖完成后,上半断面核心土的周围出现应力集中,最大主应力值为2.130 MPa,围岩在拱顶及开挖底边应力释放较多,由于隧道底部没有做临时支撑结构,底部的约束比隧道拱顶小,其应力释放也较小,几乎为零.图4(c)为下台阶开挖应力图,随着隧道的进一步开挖,围岩应力发生一定的释放,山体等势应力图的间距变大,而在隧道开挖的上部围岩中出现了塑性区,特别在隧道上方出现了明显的凹型应力云图.随着掌子面的继续推进,隧道上部岩体应力释放的范围继续增大,同时在隧道拱脚部位的压力影响范围也逐渐增大.

由图4可知,掌子面推进过程中,应力释放范围进一步扩大,凹型塑性区也相应扩大并最终保持稳定,应力最大值为3.550 MPa,从图4(d)的整个洞室开挖完毕并施作二次衬砌后的应力图,应力最大值为3.125 MPa,可见由于二次支护的支撑作用,加强了隧道结构的整体稳定性,抑制了围岩的变形,应力也随之减小.洞室周边的应力影响范围为5～20 m,在隧洞跨径的1.5倍以内.从模拟过程的云图中可以看出,整个计算区域隧道围岩和支护结构的受力均为压应力,并未出现拉应力.

图5为台阶法拱顶沉降和水平收敛位移模拟变化图,从图5中可以看出,隧道开挖支护后,隧洞周边的围岩向开挖洞室方向移动,竖直方向的位移在隧道的拱顶最大,水平方向的最大位移发生在上台阶的拱脚处,拱顶的最大沉降值为192.50 mm,拱底向上的隆起值为194.83 mm,边墙的位移基本上没有变化.竖向位移变化较大的区域集中在拱顶和拱底处,且隧道起拱线上、下两侧位移的影响范围相当,拱顶上方16 m,拱底下方15 m,大致为1.5D的范围.收敛位移为168.10 mm,水平方向位移的影响范围大致为2D.

图4 两台阶法隧道开挖过程应力图
Fig.4 Stress diagram of the two-step tunnel excavation process

图5 两台阶法拱顶沉降和水平收敛位移模拟变化图
Fig.5 Simulated change diagram of two-step method vault settlement and horizontal convergence displacement

从图6可知,隧道施工前围岩处于自身应力平衡状态,从图6(a)中可以看出,应力最大值为2.007 MPa,最小值为8.630 kPa,其应力值的大小与台阶法相当.由于CD法是分部的侧壁导坑开挖,其形成的是非对称自重应力场,图6(b)为分部

图6 CD法隧道开挖过程应力图
Fig.6 Stress diagram of CD method tunnel excavation process

图7 CD法拱顶沉降和水平收敛位移模拟变化图
Fig.7 Simulated changed diagram of CD method vault settlement and horizontal convergence displacement

图7(c)和(d)分别为CD法开挖拱顶沉降和水平收敛的形变位移及位移变化速率随模拟开挖步的变化曲线,从图中能更直观地看出拱顶沉降和水平收敛位移形变量及位移变化速率与每一个开挖步的对应关系,由图可知前11个开挖步的拱顶沉降和水平收敛的形变位移发展较快,从第12步至第17步位移量缓慢增加,变形速率也不断减小,之后逐渐趋于稳定状态,拱顶下沉的累计变形量为139.07 mm,水平收敛的累计变形量为110.90 mm.综上分析,在隧道施工过程中CD法能很好地控制大断面隧道围岩的变形,监测围岩的变形量都控制在允许预留变形量的范围之内,保障了隧道的安全施工.

对上下台阶法和CD法开挖模拟隧道洞室开挖引起围岩扰动后的应力和位移进行对比分析,见表3所示.从表3可知:

(1)采用两台阶法施工,隧道周围产生的位移较大,应力的大小与CD法相当.分析表明,台阶法的开挖工序相对于CD法相对简单,台阶法通过在开挖掌子面后方预留核心土、缩短循环进尺,使仰拱紧跟掌子面封闭成环,并设置锁脚锚管,在浅埋软弱围岩隧道中可以不同程度地控制拱部整体的变形.但台阶法在开挖过程中对软弱围岩有比较大的扰动,其控制浅埋隧道沉降变形的能力远不如CD法,尤其是大断面软质板岩隧道的开挖.因此,对于大断面软弱围岩隧道的施工,当可以允许较大的地表沉降时,选用上下台阶预留核心土工法的经济效益要比CD法更好,适用于中等级别围岩隧道的开挖.

(2)CD法施工,隧道周围产生的位移较小,拱顶下沉和水平收敛的位移量与两台阶法施工的位移量相比分别减少了27.8%和34.0%.研究表明,当隧道跨度很大,地表沉降要求严格、围岩条件特别差、两台阶法难以控制围岩变形时,可采用CD法施工.相对台阶法,CD法多了一道中隔壁临时支撑,隧道开挖断面被分割成两半,按先后导坑顺序开挖,该工法对控制大断面隧道围岩的稳定性较台阶法好.由于CD法没有横向支撑,它只有在先行导坑支护封闭完成后才能形成较强的整体支护刚度.在此之前,中壁临时支撑的稳定性容易受洞室开挖的影响,特别是在承载力较小的软弱隧道围岩中.因此,CD法控制净空位移变形的能力较两台阶法强.但在软弱围岩的施工中,CD法先行导坑仰拱必须及时封闭成环.相对而言,CD法能够保障施工安全,但施工速度较慢,成本较高.因此,在先行导坑仰拱及时封闭的情况下,CD法可适用于高地应力以及隧道埋深大于1.5D的软弱隧道围岩中.

表3 隧道围岩应力和位移比对表
Tab.3 Comparison table of stress and displacement of tunnel surrounding rock

通过以上对比分析,在软弱围岩隧道施工中,台阶法施工工艺简单,作业空间大,方便大型机械设备的操作,无需增设和拆除临时支撑,其施工速度明显优于CD法.因此,在稳定性较好的Ⅲ、Ⅳ级围岩中,多采用台阶法施工.而在稳定性较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩软弱围岩中,要想采用台阶法施工,则在开挖前必须选择合适的超前支护措施,才能保证施工的安全.