張君寶

華北理工大學礦業工程學院

摘 要：為了解決超大斷面隧道在穿越軟弱圍岩地帶容易發生失穩坍塌等病害的問題，目前國内大斷面隧道施工普遍采用台階部分法。選取深圳僑城東路隧道标準段為研究背景，首先針對超大斷面隧道、地質條件複雜、圍岩多為Ⅳ和Ⅴ級的複雜特征，采用原位鑽探和室内岩石物理力學實驗，獲得隧道圍岩關鍵參數；然後，利用FLAC3D數值模拟軟件建立隧道模型，模拟三台階七步施工工法對大斷面隧道軟弱圍岩穩定性的影響；最後，對得到的隧道位移應力變化規律進行總結分析。結果表明：三台階七步開挖法在僑城東路隧道施工時表現出了很強的适用性，且施工時對于下方隧道影響較小，不僅為僑城東路北延通道工程整體施工提供了數據支撐，也可為類似條件隧道施工工法的選擇提供參考。

關鍵詞：軟弱圍岩;大跨度隧道;交叉隧道;開挖工法;三台階七步開挖法;數值模拟;圍岩穩定;

基金：國家自然科學基金專項資助項目（41941018）;

單洞兩車道隧道已經不能解決現在的交通擁堵問題，人們對單洞三車道、四車道超大斷面隧道的需求在日益增加[1]。在隧道開挖過程中，開挖工法的選擇對隧道圍岩造成的擾動影響占有很大比重，目前用于研究圍岩穩定性的方法有理論分析、工程類比和數值模拟等，其中數值模拟分析法是最适合研究隧道圍岩穩定性的方法。

對國内大斷面軟弱圍岩隧道工程的開挖工法進行了一系列調查分析：沙鵬等[2]在蘭渝鐵路木寨嶺隧道段對上下台階預留核心土法和三台階七步法進行了對比研究，發現三台階七步法更為适用；李鴻博等[3]根據數值模拟及現場檢測，認為在蘭新鐵路的大梁隧道部分宜使用三台階七步法施工；張德華等[4]依托實地工程，利用FLAC3D建立隧道三維數值模型，對不同開挖工法在深埋超大斷面隧道的開挖過程中圍岩擾動的情況進行研究；管新邦[5]、孟陸波等[6]利用FLAC3D軟件對台階法、CD法和CRD法3種施工工法進行對比分析，得出在相同的支護條件下，CD法施工相較于台階法和CRD法，對圍岩的擾動影響較小。杜守繼等[7,8]也在FLAC3D軟件中對隧道施工工法以及圍岩變形支護進行數值模拟研究，由此可以看出FLAC3D在模拟隧道施工及支護方面具有很強的适用性。

以往學者對軟弱圍岩超大斷面隧道圍岩施工工法進行有限元模拟研究時，隧道模型粗糙；同時也沒有考慮對周邊隧道的影響，使得模拟結果與現場監測數據有一定差距。因此為使數值模拟結果更接近實際工程，選擇建模軟件Rhino6與有限元軟件相結合的方法，通過實地勘察及測井資料劃分地層，建立極為細緻的隧道模型，并通過對比分析僑城東路隧道及其相鄰隧道的位移、應力場分布特征，探究三台階七步施工工法應用于僑城東路北延通道工程的可能性。

僑城東路隧道北接龍瀾大道-福龍路立交，西南下穿羊台山，與深圳寶鵬通道、沙河東路北延道路相銜接與北環大道銜接，穿安托山片區，并沿現狀僑城東路新建地下複合隧道，止于濱海大道，隧道長度約為13.845km，如圖1所示。

圖1 僑城東路-寶鵬通道立交處隧道工程概況 下載原圖

本次鑽探采用XY-1型鑽機，鑽孔所得樣品見圖2。重型動力觸探适用于粗粒土體及全風化、強風化岩層，劃分不同性質的土層及确定土的物理力學性質，見圖3。

圖2 隧道鑽孔及樣品整理 下載原圖

圖3 重型動力觸探試驗 下載原圖

依據原位鑽探以及重型動力觸探試驗所得結果揭露地層，從上到下以此為：素填土，塊狀強風化、全風化、中風化及微風化花崗岩五個帶。

通過現場原位鑽探取得了每個地層的岩石樣品，将其分組進行岩石物理力學試驗。在經過折減後的岩體物理參數見表1。

表1 岩體物理參數 下載原圖

模型根據僑城東路隧道标準段K3 355～K3 435段實際地質條件進行建模處理。為保證數值模拟結果精确，建立140×120×40的隧道模型，開挖跨度達20.97m，高約10m，隧道橫向方向左右各留60m(3倍洞泾，消除邊界影響），底部留40m(2倍洞泾，消除邊界影響），拱頂至地表，隧道縱向長度取40m，整體進行網格加密，總共計336000個單元。該隧道結構斷面圖及圍岩初支如圖4、圖5所示，隧道開挖順序如圖6所示。

首先對寶鵬開挖、支護模拟計算後，清空位移與應力。然後進行僑城東路東線标準段三台階七步法施工模拟，結果見圖7。

由隧道圍岩垂直位移雲圖及位移監測曲線可知，東線隧道頂部垂直位移大于底部垂直位移，在隧道頂部形成了冒落拱。頂部最大變形量達0.40m，隧道底部位移僅次于頂部，達0.36m。而寶鵬隧道在東線隧道施工時受到影響較小，變形多集中在隧道頂部，在0.05m到0.1m間。從隧道圍岩水平位移雲圖來看，東線隧道左右兩側橫向變形大緻呈對稱分布，右側變形略小于左側，而寶鵬隧道水平方向上基本沒有受到影響。

圖4 隧道結構模型 下載原圖

(1)-素填土；(2)-塊狀強風化中粒花崗岩；(3)-全風化中粒花崗岩；(4)-中風化中粒花崗岩；(5)-中風化中粒花崗岩；(6)-東線隧道；(7)-西線隧道；(8)-寶鵬隧道支線（已運行）

圖5 支護方案及數值計算模型 下載原圖

注：1．初支方案：初噴 鋼拱架 10m長錨索 5m短錨索 排距1m2．噴射C35混凝土參數：厚度150mm，彈性模量25GPa，泊松比0.2，粘聚2.5MPa，内摩擦角52°。

圖6 隧道開挖順序 下載原圖

根據隧道圍岩垂直方向應力雲圖（圖8）可知，在東線隧道的拱頂、拱底和拱腰處都出現了應力集中現象。可見即使在淺埋的情況下，隧道頂底部和拱腰位置也都出現了拉應力，其中最大拉應力都集中在隧道的拱腰處，頂底部的拉應力小于兩側，應力雲圖整體沿隧道中線呈現對稱分布。寶鵬隧道受到影響很小，僅在隧道的拱頂和拱底出現到了應力集中現象。

圖7 隧道圍岩位移場雲圖（單位：m) 下載原圖

圖8 隧道圍岩垂直方向應力雲圖（單位：MPa) 下載原圖

根據對僑城東路隧道标準段開挖過程中圍岩的位移、應力的分布規律進行分析得出：

(1）在施工時僑城東路東線隧道标準段圍岩位移表現為拱頂下沉，拱底隆起，兩側向隧道内擠入。隧道頂部﹑底部和兩側是應力集中的主要部位﹐需要采取加強支護，同時施工時也要注意下方寶鵬隧道支線的拱頂以及拱底變形情況。

(2）僑城東路東線隧道在三台階七步法施工時，因為開挖距離短，高度低，且支護初期支護工序操作便捷，因此對圍岩的擾動較小；下方隧道在良好的支護措施下受到的影響較小。說明三台階七步法在僑城東路北延通道工程中是可行的。

[1] 張鐵柱，張春宇．國内特大斷面隧道發展現狀[J]．公路交通科技（應用技術版），2012(12):283-286 298.

[2] 沙鵬，伍法權，李響，等．高地應力條件下層狀地層隧道圍岩擠壓變形與支護受力特征[J]．岩土力學，2015(5):1407-1414.

[3] 李鴻博，戴永浩，宋繼宏，等．峽口高地應力軟岩隧道施工監測及支護對策研究[J]．岩土力學，2011(S2):496-501.

[4] 張德華，劉士海，任少強．基于圍岩-支護特征理論的高地應力軟岩隧道初期支護選型研究[J]．土木工程學報，2015(1):139-148.

[5] 管新邦．不同開挖方法對公路隧道圍岩穩定影響分析[J]．公路工程，2018(6):189-193.

[6] 孟陸波，潘皇宋，李天斌，等．鹧鸪山隧道二次襯砌開裂機理及支護時機探讨[J]．現代隧道技術，2017(2):129-136.

[7] 杜守繼，職洪濤，翁慧俐，等．高速公路軟岩隧道複合支護機制的FLAC解析[J]．中國公路學報，2003(2):71-74 78.

[8] LI W T,YANG N,LI T C,et al．基于FLAC~(3D)梁單元修正的隧道/巷道拱架支護模拟方法（英文）[J]. Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics&Engineering),2017(3):179-193.

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