某输水隧洞穿越白垩系泥岩段两种不同开挖方法对比分析

秦国强

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 概况

某无压输水隧洞穿越一段白垩系泥岩段地层，长约3 km，纵坡1/5000，位于中低山丘陵区，海拔685～700 m，洞径6 m，洞段上覆岩体厚度60～75 m，岩层近水平，强风化层厚3～4 m，弱风化层厚12～15 m。

该段白垩系泥岩地层为极软岩段，为Ⅴ类围岩[1～3]，岩体强度低，遇水易软化，成拱效应与围岩自稳能力差，易产生塑性变形；此外，该段地下水较为发育，围岩渗透性强，涌水、突泥等不良地质危害产生的可能性也较大。

目前，国内外对于软弱围岩隧洞设计施工等关键技术尚无成熟经验可供借鉴，为保证隧洞施工安全顺利进行，在综合调研国内外软弱围岩设计施工关键技术基础上[4～7]，采用数值模拟手段对本软弱围岩段静力状态岩体不同工况下隧洞的支护参数、施工工法控制性参数进行深入研究，对各施工开挖方法下隧洞围岩-支护结构的稳定性进行评价，进而提出合理的施工方法。

2 数值模型的建立与计算参数选取

本次计算选取的典型断面隧洞洞顶埋深为62 m，隧洞净空为6 m。数值计算过程中，为减小模型边界条件对计算结果的影响，数值模型的建立应遵循以下原则：水平方向上，模型左、右边界与隧洞边界的距离取洞径的3倍以上；竖直方向上，模型下边界与隧洞边界的距离取洞径的3 倍以上[8～10]。根据以上原则，建立隧洞中心与左右边界、上下边界的距离均为40 m 的模型，隧洞纵向取40 m，即计算模型尺寸为80 m×80 m×40 m，在模型的上部施加上覆岩层的自重应力场。在模型的下边界施加竖直法向约束，前后左右边界施加水平法向约束，图1为建好的模型图，共计38 650个单元。

该隧洞支护结构形式根据新奥法施工理论主要分为围岩注浆、系统砂浆锚杆、钢筋网和喷射混凝土组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合式衬砌[11～13]。数值分析采用FLAC3D 有限差分软件[14～16]，隧洞围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Mohr-Coulomb本构模型，围岩和初期支护采用三维实体单元，锚杆采用cable单元，钢拱架采用beam单元，围岩与支护结构的物理力学参数见表1 和表2。数值计算中，锚杆与钢拱架的间距为1 m，注浆圈的厚度为2 m，系统锚杆的长度为3 m。由于输水隧洞的断面较小，考虑到施工的实际情况，本次数值计算中只分析了全断面法与上下台阶法两种情况下隧洞围岩的变形与支护结构的受力特性。

图1 数值计算模型

表1 隧洞围岩的塑性力学参数

表2 隧洞支护结构的物理力学参数

3 不同工法的围岩变形特性分析

隧洞开挖完成后围岩的最大位移云图见图2，从图2 可以看出，不同开挖工法条件下围岩的变形均以竖向变形为主，最大变形发生在拱顶与拱底位置，水平变形不大。采用全断面法开挖时，隧洞的最大位移发生在拱底位置，为26.31 mm，水平收敛变形只有5.2 mm。而采用上下台阶法开挖时，能够改善围岩的受力状况，一定程度上利用围岩的自稳能力，使得围岩的变形得到控制。与全断面法围岩的变形规律类似，围岩的变形仍然以拱顶沉降变形为主，拱顶沉降变形为22.96 mm，较全断面法降低了12.7%。

图2 不同开挖工法下围岩的最大位移云图

通过计算获得不同开挖工法下各监测点位移随开挖步的变化曲线见图3。从图3 可以看出，随着监测断面前方围岩的开挖，监测断面围岩变形逐渐增加，并且开挖掌子面离目标越近，变形增加的幅度越大，在开挖目标面时，围岩的变形产生大幅波动，变形持续增大，最终在支护结构的约束下逐渐趋于稳定。采用全断面法开挖时，拱顶沉降最终达到17.2 mm，而采用上下台阶法开挖时，拱顶沉降变形为13.8 mm，较全断面法降低了19.8%。

图3 不同开挖工法的围岩变形曲线

隧洞开挖完成后围岩的最大主应力云图见图4，可以看出不同开挖工法条件下围岩的应力均以压应力为主，应力分布关于隧洞中轴线对称，应力最大值发生在拱腰位置，而拱顶和拱底应力较小。采用全断面法开挖时，隧洞的最大主应力发生在拱腰位置，为6.55 MPa。采用上下台阶法开挖时，能够改善围岩的受力状况，一定程度上利用围岩的自稳能力，使得围岩的应力得到控制，与全断面法类似，拱腰和拱脚位置围岩产生最大应力，最大应力为5.74 MPa，较全断面法降低了12.4%。

图4 不同开挖方法下围岩的最大主应力云图

隧洞开挖完成后围岩的塑性区分布情况见图5，从图5 可以看出，不同开挖工法条件下围岩的塑性区均分布在隧洞周边，拱腰和拱脚位置围岩塑性区比较厚。采用全断面法开挖时，拱腰和拱脚处围岩产生较大塑性区，厚度达0.8 m，拱底处围岩也有较大塑性变形。采用上下台阶法开挖时，围岩塑性区分布规律与全断面法基本类似，但利用围岩的自稳能力，使得围岩的塑性变形得到控制，拱底处围岩塑性区明显减小。

图5 不同开挖工法下围岩的塑性区分布图

4 不同工法的支护结构受力分析

隧洞开挖完成后初期支护的最大主应力云图见图6，从图6可以看出，不同开挖工法条件下初期支护的最大应力均以压应力为主，应力相对中轴线呈对称分布，应力最大值发生在拱腰和拱脚位置，而拱顶和拱底位置应力较小。采用全断面法开挖时，初期支护的最大主应力发生在拱脚位置，为18.24 MPa。采用上下台阶法开挖，能够改善围岩的受力状况，一定程度上利用围岩的自稳能力，使得初期支护的受力得到改善，初期支护的应力最大值发生在拱肩和拱脚位置，最大应力为15.53 MPa，较全断面法降低了14.9%。

图6 不同开挖工法下初期支护的最大主应力云图

隧洞开挖完成后钢拱架轴力图见图7，从图7可以看出，不同开挖工法条件下钢拱架的轴力均以压力为主，且轴力相对隧洞中轴线呈对称分布。采用全断面法开挖时，钢拱架拱腰和拱脚位置轴力较大，拱顶和拱底位置轴力较小，最大轴力发生在拱腰位置，为-965 kN。采用上下台阶法开挖时，钢拱架的受力得到改善，与全断面法不同，钢拱架的轴力最大值发生在拱脚位置，最大应力为-787 kN，较全断面法降低了18.4%。

图7 不同开挖工法下钢拱架轴力图（kN）

隧洞开挖完成后钢拱架弯矩图见图8，从图8可以看出，不同开挖工法条件下钢拱架的弯矩相对隧洞中轴线均呈对称分布。采用全断面法开挖时，拱顶和拱底位置内侧受拉，拱脚和拱肩为外侧受拉，最大弯矩发生在拱脚位置，为180 kN·m。而采用上下台阶法开挖时，与全断面法弯矩规律类似，钢拱架的弯矩最大值发生在拱脚位置，最大弯矩为160 kN·m，较全断面法降低了11.1%。

图8 不同开挖工法下钢拱架弯矩图（kN·m）

隧洞开挖完成后锚杆轴力图见图9，从图9 可以看出，不同开挖工法条件下锚杆轴力均较小。采用全断面法开挖时，拱顶锚杆受拉力，最大拉力为4.4 kN，拱脚和拱腰锚杆受压力，且轴力值较大，最大轴力发生在拱腰位置，为-4.8 kN。采用上下台阶法开挖时，与全断面法锚杆轴力不同，上台阶锚杆受力明显减小，锚杆轴力最大值发生在拱脚位置，最大轴力为-2.6 kN，较全断面法降低了45.8%。

图9 不同开挖工法下锚杆轴力图（kN）

5 结语

根据以上模型计算对不同工法施工时隧洞围岩的位移、受力以及初期支护的受力特性分析可知，由于输水隧洞围岩属于极软岩，在各种工法下隧洞开挖后围岩的自承载能力均不高，要控制围岩变形，支护结构势必要成为重要的承载单元。从围岩应力来看，两种工法开挖时围岩应力在量值上并没有很大的差别，上下台阶法略小于全断面法；从拱顶位移来看，上下台阶法开挖小于全断面法开挖。

（1）全断面法。施工步骤少，施工掌子面大，开挖速度快，但由于其施工时间较其他工法长，不能够及早进行支护而导致围岩变形较大，从位移控制基准来看，该工法并不适合输水隧洞极软岩段隧洞施工。

（2）上下台阶法。施工步骤比较少，在施工中对即将开挖的土体扰动较小，在上下台阶交界处的围岩产生的拉应力较少。上下台阶法一定程度上利用围岩的自稳能力，而且施工时间较全断面法少，能够更早的进行支护，使得围岩的变形得到一定控制，相较于全断面法，围岩应力和位移都有所减小。

因此，采用上下台阶法作为穿越白垩系泥岩段极软岩输水隧洞的开挖施工方法更为合理。