赵帅 徐新兴 刘鹏
摘要：佛岭隧道地处软弱围岩条件，采用台阶法施工，其开挖过程的变形情况关系着隧道的稳定性。采用 MIDAS/GTS 软件对佛岭隧道施工过程中的变形情况进行数值模拟，得到两种进尺情况下不同开挖阶段软弱围岩的变形情况，论证了隧道开挖施工方案的合理性。结果表明：采用台阶法预留核心土施工，该隧道安全可靠。
关键词：软弱围岩；
数值模拟；
变形分析
中图分类号：U452.2+7文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0170-04
Theinfluenceof tunnelgeologicalconditionsonexcavationdeformationandtheoptimizationanalysisof numericalsimulationof stepmethodconstruction
ZHAO Shuai1， XU Xinxing2， LIU Peng3
（1. Shanxi Institute of Economic Management，Taiyuan 030024，China;
2. Taikang Health Industry Investment Holding Co.， Ltd.，Beijing Branch， Beijing 100020，China;
3. China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China）
Abstract：
The Fouling Tunnel is located in weak surrounding conditions and is constructed using the step method. The deformation during the excavation process is related to the stability of the tunnel. This article uses MIDAS/GTS software to numerically simulate the deformation of the Fouling Tunnel during construction，and obtains the defor? mation of weak surrounding rock at different excavation stages under two different footage conditions，demonstrat? ing the rationality of the tunnel excavation construction plan. The results indicate that using the step method to re? serve core soil for construction is safe and reliable for the tunnel.
Keywords：
weak surrounding；
numerical simulation；
deformation analysis
软弱围岩隧道开挖工程中变形大小对隧道稳定性及安全性至关重要，也是目前研究隧道变形的一个热点话题，众多学者对软弱围岩大断面隧道开挖方式进行了探讨，使用数值模拟方法，为软弱地层中的隧道开发提出了合理的建议。对于台阶法隧道开挖的研究，数值模拟基于计算机强大的计算能力已成为主要的分析手段。针对分别使用FLAC 3D、 MIDAS/GTS 软件对不同工程的隧道开挖进行了数值模拟[11-14]，为施工中选择合理的开挖方式提供了模拟，辅助选定了最佳的隧道开挖方式。本文以佛岭隧道为例，对软弱围岩条件下新奥法施工的开挖方式进行了数值模拟，为实际开挖方式提供了合理的建议。
1 工程概况
佛岭隧道位于五台县陈家庄乡至盂县梁家寨间佛岭处，是一座双向4车道分离式隧道，隧道宽为10.5 m，高5.0 m。隧道左线全长8803 m，右线全长8805 m。本文以左线隧道为对象进行研究，隧道进口位于移城河南岸二级阶地上，覆盖土层为黄土，属于较平缓地势；
隧道出口位于牛道沟西岸斜坡处。隧道围岩以黄土、残破积碎石、泥质岩等软弱岩体为主；
隧道所处地区的降水量小，雨季最高水位较隧道路面低0.5 m，同时，路径的地表水系对拟建隧道影响不大。
隧道施工基于新奥法原理，对该隧道的施工开挖方式采用台阶法施工，拟采用上、下半断面的形式进行开挖成型，为控制隧道地层变形，主洞采取“超前小导管周边注浆加固”、“环形开挖预留核心土”、“长管棚超前支护”的方法，具体如图1所示。如此便可从经济和安全的角度能够最大程度上保障隧道开挖稳定性。
为进一步探究隧道黄土化学成分，利用XRD 分析隧道黄土化学矿物成分。为了全面分析试样的元素组成，选择了大布拉格角（29）10°～90°和0.13°/s 的扫描速率，使用Ni 滤波，电压30 kV，电流30 mA，扫描速度6°/min，温度22℃ ，试验结果如图2所示。
从图2可以看出，土壤中的主要非粘土矿物仍然是石英、方解石和长石，且非粘土矿物成分含量占比较大。而主要的粘土矿物是伊利石和绿泥石。
2 有限元分析
基于计算机的强大计算能力和岩土本构研究的发展，通过有限元数值模拟的方法能够更为有效的通过试验分析隧道开挖过程中的应力、位移、塑性区等的变化情况。目前研究中使用的有限元软件以 FLAC 3D 和 MIDAS/GTS 為主流，本文主要使用 MI? DAS/GTS 软件对佛岭隧道开挖过程进行工况模拟，进而分析其变形情况并判断隧道稳定性[15-18]。
2.1数值模型建立
基于MIDAS/GTS软件对佛岭隧道开挖过程工况进行模拟分析。本文软弱围岩采用摩尔-库伦弹塑性模型，衬砌结构采用线弹性模型。
在力学参数方面，开挖过程以释放荷载的形式体现在模型中，研究仅考虑自重荷载作用下的初始应力大小。根据施工图纸，结合新奥法施工的特点，二次衬砌前，围岩及初次支护结构已然承受了释放出的荷载，故而可假定二次衬砌结构不受力。结合佛岭隧道软弱围岩的地质情况，判定围岩类型为Ⅴ级，其荷载释放分配比例按照围岩承担20%、初次支护结构承担80%进行分摊。
考虑到MIDAS/GTS 具有初始位移自动清零的功能，可以避免在分析变形时初始位移对于变形分析的干扰，因此在设置初始应力场能够按照初始自重应力形成应力场，对其后的变形分析影响不大。由于佛岭隧道属于浅埋隧道，因此在设置围岩参数时以实际勘察资料为准即可。
在支护结构的模型建立中，按照表1的设计要求建立支护结构的数值模型，其具体参数如表2所示，最终建立的隧道及支护结构三维模型分别如图3、图4所示。
2.2 工况设置
按照图1所示的开挖过程，在 MIDAS/GTS 中设置荷载释放不同阶段，形成了不同的工况；
具体如表3所示。
3 变形结果分析
由于隧道是一个纵向长度远大于水平尺寸的模型，因此可以视为平面应变问题进行分析。基于不同工况的模拟，得到了不同的位移云图，进而得以判断该隧道开挖过程中的位移场变化情况[19-20]。
3.1 上环形台阶开挖阶段
通过计算，得到上环形台阶开挖阶段的水平位移及竖向位移云图，具体如图5所示。
从图5（a）可以看出，该开挖阶段，拱顶沉降明显，且集中于拱顶周边，其位移数值随着距离拱顶的长度越远呈现衰减，且衰减形态呈现出扇形的扩散状。该形态进一步说明在上环形台阶开挖中拱顶的脱离区存在的客观性。从图5（b）可以看出，该阶段拱脚周边的水平位移较大，但不足拱顶竖向位移的二分之一，说明拱脚处的约束作用明显，其抗力区开始发挥作用。同时，从图5（a）还可以看到，核心土处出现明显的向上隆起，达到27.4 mm；
但对于隧道底部设计标高而言影响较小，说明采用保留核心土的开挖方式可以减轻开挖初期对隧道设计底部标高处的变形影响。
3.2 核心土开挖阶段
通过计算得到的核心图开挖阶段的位移云图如图6所示。
从图6可以看出，该阶段的位移云图分部呈现出与上环形台阶开挖阶段相同的特征。从计算数值上看，拱顶的竖向位移增加到2.89 mm，较前一阶段增加了0.35 mm；
而拱脚周边的水平位移数值较前一段的增量为0.6 mm，说明核心土开挖对于拱顶的最大沉降的影响陡然下降。核心土底部隆起方面，新增隆起量为0.63 mm，变化与拱脚水平位移接近，说明该阶段对隧道围岩拱脚及底部的变形影响大于拱顶的影响；
但总体而言较前一阶段变化不大。
3.3 下台阶土开挖阶段
下开挖阶段，拱顶竖向位移增量为0.46 mm，拱脚水平位移增量为0.27 mm，其分部情况大体与前2阶段相同，从数值增量来看，虽然围岩整体的位移增量变化不大，但竖直位移增量明显大于水平位移增量。坑底隆起位移为3.48 mm，达到开挖以来的最大值。下台阶开挖阶段位移云图如图7所示。
从图7可以看出，通过不同阶段的位移云图对比分析，可以得到隧道围岩变形的最大值为拱顶沉降，其值达3.36 mm；
其次是围岩底部隆起，其值达3.49 mm。而水平位移最大值为2.05～2.13 mm，这与新奥法施工中隧道围岩的脱离区与抗力区的分布理论相一致，同时也指导施工中监测重点要更多关注拱顶及底部位移。
整体分析隧道开挖过程，上环形土体开挖阶段的竖向位移变形量占据总变形量的78.5%，是监测中重点关注的开挖阶段。
4 结语
本文通过建立佛岭隧道左线隧道的有限元模型，定义3个阶段的施工过程，对软弱围岩条件下的隧道开挖进行了模拟，根据数值分析结果得到以下结论：
（1）采用台阶法保留核心土的开挖方式中，上环形土体开挖的变形最为显著，应当在新奥法施工中加强监测频率；
（2）各开挖阶段的沉降值都明显大于收敛值，故而软弱围岩隧道开挖中控制沉降值更为关键。
（3）选择进尺越小，软弱围岩隧道开挖后的沉降值及收敛值越小，在考虑开挖方案时如遇变形超过限值时，减小进尺长度是一项有效措施。
（4）通过各开挖阶段的数值模拟分析，佛岭隧道采用超前小导管注浆加固、台阶法预留核心土的开挖方式能够确保软弱围岩的变形在可控范围之内，其施工方案安全合理。
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