摘 要：隧道在施工期和运营期会发生沉降、变形和开裂等病害现象，这些问题的产生于隧道开挖的施工方法有很大的关系。针对某隧道开挖过程进行监控，并对其中不同开挖方法对隧道结构的影响状况进行分析，并对不同开挖工法下隧道围岩应力、变形、衬砌沉降和锚杆的受力情况进行分析。

关键词：围岩应力；隧道变形；仿真模拟

基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJ1735451，KJQN201803804）；重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金资助（LHSYS-2016-004）；重庆水利电力职业技术学院院级科研项目（K201707）

1 前言

由于有限元、FLA一类数值方法的运用，中国的隧道工程师已经对隧道衬砌设计中的“荷载—反力”的模式作了必要的补充。在一定的条件下，要采用“整体模型”来理解围岩和支护之间的相互关系，即把支护作为围岩的边界条件，从围岩稳定性角度来确认支护系统的可靠性。无论是在连续介质力学的应用，节理岩体分析，块体平衡理论和计算方法的创立等方面，中国学者都作出了贡献。在软弱围岩的支护系统设计中，形变压力概念和“收敛—约束”模型也已被人们所接受。但是，由于隧道工程环境条件数量化表达方面的困难，常常会使得力学家们所提出一些理论和计算方法，难以对具体工程起到指导作用。因此，除了在计算理论中引入不确定性概念（随机性和模糊性）外，建立在工程类比基础上的经验方法在隧道设计中永远有着不可取代的地位。作为工程类比的基础，我国已提出以定性描述和定量指标相结合的“工程岩体分级标准”GB-50218-94。其中，定量指标除采用岩块强度和节理统计资料外，还运用了弹性波的测试数据。此外，建立以既有工程數据库为基础的聚类分析和支护设计的模糊类比方法也已成为不少中国学者的注意点。与地面结构物不同，隧道开挖前所提出的设计在严格意义上说只能称做“预设计”。根据对隧道开挖过程中围岩和支护系统力学行为的量测来论证和调整设计参数也是隧道设计中的一个十分重要的环节。本文针对不同隧道开挖工法对隧道施工过程的影响性进行分析。

2 工程概述

隧道全长为3.4公里，全路段的围岩等级分别为Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩，针对围岩的强度等级和地质状况，分别采用了全断面开挖法、分台阶开挖法和左右分步开挖法，对应位置隧道的埋深分别为50m、100m和300m。隧道的截面形式为三心圆加仰拱，采用喷锚支护形式，高宽比采用0.71。其中的物理力学参数如下：围岩（Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩）弹性模量（E/GPa）分别为3.0、1.0、0.4；泊松比0.27、0.33、0.39；围岩重度（kN/m3）为26、23、19；粘聚力（c/MPa）为0.5、0.2、0.03；内摩擦角为37、32、29。锚杆的弹性模量（E/GPa）为216；泊松比为0.31；重度（kN/m3）为69。衬砌混凝土的弹性模量（E/GPa）为24；泊松比为0.31；重度（kN/m3）为33。

3 现场监控分析

分别针对隧道施工开挖过程中拱顶、拱腰和底板位置的围岩应力进行分析，根据监测的隧道围岩应力和仿真模拟的围岩应力进行对比分析，结果如下。隧道开挖是一个复杂的先加载后卸载的过程循环荷载易造成低强度围岩发生屈服破坏，从而丧失稳定性隧道开挖卸荷效应表现：拱底最为明显、拱顶次之、拱腰最弱主应力最大值出现在拱腰，在进行应力监控量测时首先应考虑拱腰部位。

本文针对全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法、双侧壁导坑开挖法和台阶分步开挖法进行施工监控，对其过程中的围岩应力、位移变形和锚杆的受力状态进行分析研究。

各施工工法流程如下：

全断面开挖法：隧道开挖-施做衬砌

单侧壁导坑开挖法：开挖一号土体-施做衬砌-开挖二号土体-是做衬砌-开挖三号土体-施做衬砌-拆除临空部分衬砌

双侧壁导坑开挖法：开挖一号土体-施做衬砌-开挖二号土体-是做衬砌-开挖三号土体-施做拱顶衬砌-开挖四号土体-施做衬砌-拆除临空部分衬砌

台阶分步开挖法：开挖一号土体-开挖二号土体-开挖三号土体-施做衬砌-开挖四号土体-开挖五号土体-施做仰拱

3.1 开挖方法对围岩应力的监测分析

按照上述施工工法经过监测围岩应力变化出现如下情况：对于拱顶围岩应力，发现左右分步开挖方法对应隧道拱顶围岩应力最大；对于仰拱围岩应力，发现上下台阶分步开挖法中仰拱易出现拉应力；对于拱腰围岩应力，发现全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法、双侧壁导坑开挖法三种开挖方式对σzz、σ1影响较小，台阶分步开挖法对应σxx、σ3最小。

根据现场监测数据显示全断面开挖法局部区域产生较小的拉应力；拱腰高应力区贴近开挖边界。而上下开挖工法中拱腰围岩高应力区离开挖边界一定距离。左右开挖工法围岩中存在拉应力分布区。

3.2 开挖方法对隧道变形的监测分析

利用位移计对隧道拱顶位移状况进行监控，监控结果如下。全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法、双侧壁导坑开挖法和台阶分步开挖法对应的拱顶监测位移（mm）分别为：34.3、25.3、24.2、35.3；拱顶总位移分别为：34.3、27.9、32、35.3。拱顶监测位移和总位移的比值为：100%、90.7%、75.6%、100%。从上述数据可见开挖方法对隧道变形的影响各不相同。拱顶总位移：从隧道截面开始开挖直至截面施工结束引起的拱顶围岩总位移。包括拱顶还未开挖时，其它部位开挖对拱顶围岩产生的扰动影响。拱顶监测位移：拱顶位置岩体开始开挖直至截面施工结束引起的拱顶围岩位移。不包含前期其它位置开挖对拱顶位置岩体的扰动变形。一般认为，拱顶监测位移易通过相关设备监测，拱顶总位移中对应拱顶开挖前引起的先期位移较难通过洞内监测手段获取。

对于全断面开挖法：拱顶总位移与监测位移值相等；下沉主要在监测断面开挖后产生；开挖后及时布设测点可获取位移变化全过程值；单步开挖引起的位移较大，不及时支护容易出现塌方事故，因此相比更应加强监控量测。

对于台阶分步开挖法：拱顶总位移与监测位移值相等；下沉主要在监测断面开挖后产生，在断面开挖后及时布设测点可获取位移变化全过程值；与其它方法相比，该法对应的总位移和监测位移均为最大。拱顶变形是逐步发展的，单步施工引起的位移变化量较小

对于单侧壁导坑法：总位移大于监测位移；与其它开挖方法相比，该方法对应的拱顶总位移最小；拱腰部分开挖对拱顶围岩变形影响大，监测到的位移-时间曲线不能代表全过程；在施作仰拱、拆除临时支护时，拱顶变形出现回弹，分析监测数据时应注意这一变形特征。

对于双侧壁导坑法：总位移大于监测位移；与其它开挖方法相比，该方法对应的拱顶监测位移最小；拱腰部分开挖对拱顶围岩变形影响大，监测到的位移-时间曲线不能代表全过程。

开挖方法对隧道变形的影响如下。全断面开挖法的位移z方向最大位移发生在拱顶和仰拱，x方向最大位移发生在距离拱脚1/3h高度处；单侧壁导坑法的位移z方向和x方向最大位移均发生在靠上台阶底部位置 双侧壁导坑法z方向和x方向最大位移发生在后开挖导坑临时支护与拱腰相交的位置，隆起变形仍以仰拱位置最大；台阶分步开挖法对应隧道位移的变形规律与全断面开挖法类似。

开挖工法对隧道变形的施工效应影响如下。上下台阶法对应的拱顶沉降最大，左右分步法最小；全断面开挖方法：各开挖步引起的位移增量最大；上下台阶开挖方法：上台阶开挖引起的位移大于下台阶开挖引起的位移；左右开挖方法：两个施工步引起的位移接近。测点位于掌子面后方一定距离处，左右分布开挖对应的拱顶累计沉降与最终沉降的比值最大，变形发展快，更易趋于稳定。

3.3 开挖方法对锚杆的受力影响

对于全断面开挖法：拱腰部分锚杆受力较大，尤以靠近洞壁端受力最大，因此对于采用全断面开挖法的隧道，监测锚杆内力时，应以监测拱腰锚杆靠近洞壁端受力为主。

对于单侧壁导坑法：导坑位置锚杆受力较小，可不进行受力量测。但是上台阶底部位置锚杆受力较大，尤以远离洞壁端部分最大，应适当加强监测。

双侧壁导坑法：侧壁导坑开挖和导坑衬砌支护时，导坑锚杆受力较小，且变化量不大，因此可不进行锚杆受力监控量测。中间台阶上部土体开挖引起靠内壁临时支护下方的锚杆内力增加近4倍，此时可结合实际对该部分锚杆进行观测，直至断面开挖结束。拆除临时支护时，宜对临时支护与拱顶相交位置附近的锚杆进行受力监测。

台阶分步开挖法：锚杆受力相对较小。必要时对先开挖侧壁（土体2位置）底部锚杆靠近洞壁端进行受力监测。

4 结论

通过4种隧道开挖工况的监测分析得出位移变化情况，z向：变形持续增加，最后达到稳定，x向：变形相对较小，y向：变形先增加后减小。拱顶和仰拱以竖向变形监测为主，x方向位移在增加后出现减小的过程拱腰以监测水平向周边收敛为主洞内监测数据一般无法反映前期施工对围岩产生的扰动影响；洞外监测应提前布点，充分了解施工扰动效应。隧道围岩应力中，Ⅲ级围岩仰拱部分单元出现拉应力，对应值大于Ⅳ级围岩中同位置单元应力。对于各级围岩，主应力最大值均出现在拱腰，因此在进行应力监控量测时首先应考虑拱腰部位。

参考文献

[1]李清川，李术才，王汉鹏，张红军，张冰，张玉强.上覆流沙层隧道开挖面稳定性分析与数值试验研究[J].岩土力学，2018，39（07）：2681-2690.

[2]张治国，徐晨，宫剑飞.隧道开挖对邻近桩基变形及承载能力影响的弹塑性解答[J].岩石力学与工程学报，2017，36（01）：208-222.

[3]郑刚，张扶正，张天奇，查万理.盾构隧道开挖及补偿注浆对地层扰动影响的室内试验及数值模拟研究[J].岩土工程学报，2016，38（10）：1741-1753.

[4]路德春，曹胜涛，张波，杜修力，刘晓峰.隧道开挖围岩土压力拱效应分析[J].地下空间与工程学报，2015，11（06）：1421-1430+1436.

[5]李煜舲，林铭益，许文贵.三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系研究[J].岩石力学与工程学报，2008（02）：258-265.

[6]施成華，彭立敏，刘宝琛.浅埋隧道开挖对地表建筑物的影响[J].岩石力学与工程学报，2004（19）：3310-3316.

作者简介

马云峰（1985-），男，汉，吉林白山人，博士研究生，研究方向：隧道防灾减灾。