杨柳 刘阳

摘 要：通过工程实践表明，在软弱围岩隧道施工过程中，掌子面挤出变形非常明显，最新的研究结果显示，掌子面挤出变形对隧道的稳定性有很大影响。本文以台阶法为例，考虑Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩，对影响掌子面挤出变形量的主要因素，包括围岩级别、埋深、地应力组合状态等进行有限元计算分析，从而对现场施工提供一定的参考。

关键词：软弱围岩；台阶法；掌子面；挤出变形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.076

0 引言

随着我国高速铁路技术的不断发展，为了克服客运专线上高速列车在隧道内运行所引起的空气动力学问题，客运专线上的隧道基本采用双线铁路隧道通过，这些隧道轨面以上的净空面积为100 m2以上，开挖断面积都在150 m2以上[1]。

掌子面及其前方围岩，对隧道的稳定性有很大的影响，因此维护掌子面的稳定至关重要，但是由于隧道掌子面是施工最集中的地方，通常会受到很多的扰动，由于人们对掌子面的挤出变形不够重视，引起了很多安全问题。许多隧道在开挖后施工施做支护之前，出现了掌子面塌方，而在初期支护完成后，围岩又出现大变形，变形持量不收敛，表现为初期支护混凝土破裂、钢拱架扭曲[2]。

1 工况及计算条件

利用大型有限元计算软件ANSYS，参照时速200 km/h客货共线隧道标准断面尺寸，采用数值模拟的方法分别对单线和双线隧道，施工方法采用目前现场应用比较广泛的台阶法，计算中台阶长度上台阶和下台阶都为8m。地质条件为Ⅴ、Ⅵ围岩两种情况，埋深300 m。计算模型如图1所示。

在软弱围岩中，经过实践表明，导致掌子面发生挤出变形的主要影响因素是：相对较高地应力和较差的地质条件。而地应力与埋深关系比较大，并且在具体施工中，掌子面的开挖尺寸也是对掌子面挤出变形影响较大的一个重要因素。因此，在分析中要全面考虑这些影响因素的作用。综上所述，具体分析工况如下：

（1）围岩级别影响效应。软弱围岩从围岩级别上大多属于Ⅴ、Ⅵ级围岩，这类围岩强度低，变形持续时间长，尤其是工程扰动对它的影响极其明显。在掌子面范围内，不能形成明显的承载拱，塑性区使围岩松动范围较大，从而引起较大的掌子面挤出变形。当然对部分大断面隧道工程，由于开外尺寸的影响，Ⅳ级围岩也有可能会产生这些问题。

综上所述，在数值模拟计算中，我们考虑了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三个围岩级别的不同工况，为了排除其他因素的影响，埋深统一按300m计算，地应力水平考虑重力场。

（2）埋深影响效应。较大的隧道埋深往往会引起围岩压力的增加，同时也会对初始应力场产生很大影响。这些都会引起较大的掌子面挤出变形，从而对隧道的稳定性很不利，因此埋深也是我们要考虑的主要因素之一。

为了排除其他因素的影响，我们在计算中只考虑Ⅴ级围岩隧道，为了区别不同的开挖尺寸，单、双线隧道分别进行研究，按100 m、300 m、500 m三种埋深计算。

（3）不同地应力组合状态影响效应。工程实践表明，水平地应力水平也是掌子面稳定性的影响因素之一。在计算模型中，竖直应力场只考虑自重应力场，而水平地应力系数组合工况如表1所示（表中λ1为横向水平地应力系数，λ2为纵向水平地应力系数），为了排除其他因素的影响，围岩级别我们只考虑按Ⅴ、Ⅵ级围岩，而埋深统一确定为300m，并且只考虑双线隧道。

2 计算结果分析

2.1 围岩级别影响效应

只考虑围岩级别时，单双线隧道，台阶法施工中不同围岩级别隧道掌子面挤出变形最终变形量的数值计算结果如表2所示。此时隧道的埋深都是统一的300m。

通过计算结果我们可以得出，当围岩较稳定时，无论单线还是双线，掌子面挤出最终变形量不明显。而围岩较软弱时，例如Ⅴ、Ⅵ级围岩掌子面挤出变形增长较快，尤其是开挖尺寸较大时，更为明显。

2.2 埋深影响效应

当围岩级别相同时，我们只考虑不同埋深下，不同开挖尺寸隧道掌子面最终挤出变形量。计算结果如表3所示。

从数值模拟计算結果可以看出，当台阶法施工时，上下台阶的掌子面挤出变形与埋深均成正比增长关系，隧道埋深对掌子面稳定性的影响要若于围岩级别，这说明地质条件对掌子面是很重要的，这在不同开挖尺寸时都有体现，相对来说，埋深的影响双线隧道要更明显一些。

2.3 地应力组合形态影响效应

在分析地应力组合形态影响效应时，为了减小工作量，我们只考虑双线隧道，各工况计算结果见表4。

不同的工况组合，代表不同的水平和轴向地应力水平，具体工况见表1。通过对数值模拟计算结果的分析表明，当地质条件和隧道的埋深都一致时，掌子面最终的挤出变形量与水平地应力水平成正比。但是，分别分析横向和纵向可以看出，当横向地应力变化时，对掌子面挤出影响不明显，而轴向地应力则不同。

3 小结

（1）围岩级别越高，掌子面挤出变形的数值越大，两者成正比例关系。相对来说，Ⅵ级围岩掌子面挤出变形并不明显，还处于安全范围，而Ⅴ、Ⅵ级围岩掌子面挤出变形数值较大，需要引起足够重视，否则可能引起掌子面失稳等灾害。

（2）埋深对掌子面挤出变形的影响也很明显，其影响程度仅次于围岩级别，这在单线和双线隧道中情况是类似的。在台阶法施工时，上下两个台阶受埋深影响都很大，尤其是上台阶尤其要注意埋深的影响。对于不同的开挖尺寸来说，双线隧道要比单线隧道更明显一些。所以开挖尺寸越大，越要加强这方面的监测。

（3）当地质条件和埋深都相同时，水平地应力的影响也很明显，挤出变形和水平地应力水平呈正比例关系。计算表明，在不同地应力组合状态下，挤出变形的数值也有一定区别，横向地应力和纵向地应力组合出不同工况，可以得到隧道掌子面挤出变形受轴向地应力水平影响较大，而受横向地应力影响较小。

（4）综上所述，结合数值模拟结果，可以得到各因素对于掌子面挤出最终变形量值的影响程度，由大到小可以依次为：围岩级别、水平地应力、埋深。

参考文献：

[1]赵东平，王明年.客运专线超大断面隧道施工过程三维力学分析[J].现代隧道技术，2005，17（04）：20-24.

[2]卿三惠，黄润秋.乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究[J]. 现代隧道技术，2005，17（04）：85-88.

作者简介：杨柳（1982-），女，河南郸城人，本科，讲师，研究方向：建筑工程技术。