浅埋软弱围岩隧道施工方案数值模拟研究

42卷第33期 2 0 1 6 年 1 1 月

SHANXI ARCHITECTURE

山 西建筑

Vol.42No.33Nov. 2016

• 163 •

文章编号：1009-6825 (2016) 33-0163-02

浅埋软弱围岩隧道施工方案数值模拟研究

牟新伟祝建业

摘要

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061)

：以宁安高速某隧道穿越浅埋软弱围岩地段工程为例，采用FLAC3D建立了三维模型，分别计算了预留核心土、上下台阶开

挖、预注浆等工况下围岩稳定性及变形情况，并在数值模拟的基础上进行了现场监控量测，指出拱顶沉降在安全可控范围之内，全 断面注浆结合上下台阶预留核心土开挖方案较好的控制了浅埋软弱的围岩变形。

关键词:软弱围岩，公路隧道，数值模拟,稳定性，注浆

中图分类号:U456.3

随着我国经济的不断发展，人们对交通出行提出了更高的要 求。公路隧道可以有效穿越障碍，缩短里程，避免绕路，从而提高 运行效率，其优点已经在广泛应用中得到了人们的认可[1_4]。然 而在施工过程中,难免会遇到浅埋地层、软弱破碎带等不良地质 路段。浅埋软弱围岩隧道由于其埋深浅，围岩受力不均匀，容易 出现偏压受力，变形不均匀等情况。复杂的围岩受力在施工过程 中会产生极大的安全隐患，为安全、快速、稳定施工带来了显著的 困难。

为了更好的了解和掌握浅埋软弱围岩的施工特点，总结围岩 和支护结构的应力应变规律是必不可少的。利用数值模拟软件

FLAC3D可以对浅埋软弱围岩隧道进行受力模拟，能够粗略计算出 围岩和支护的受力情况[5_w]。

本文针对某浅埋软弱围岩公路隧道，结合现场监控量测，采 用FLAC3D模拟计算浅埋软弱隧道在施工过程中的围岩变形情况, 研究成果表明数值模拟和现场实验对施工有着良好的指导作用。

1工程概况

宁安高速A7标禾丰隧道是一座上、下行分离（洞口小净距）

的四车道高速公路长隧道，围岩级别为丫级~111级，岩性主要为

砂岩。隧道右线起讫桩号K74 +924 ~ K77 +489,长2 565 m，坡度 为-2.566% ;左线 ZK74 + 908 ~ ZK77 + 480,长 2 572 m，坡度为 -2.55% (沿路线前进方向上坡为正）。

该隧道进口右幅K75 +24现场施工过程中，整个掌子面揭露 围岩岩性主要为砂岩，岩体呈强全风化，手捏即碎，且地下水较发 育，硐室稳定性极差。

2施工方案数值模拟研究 2.1

计算工况

由于该隧道区段围岩条件极差,施工风险较大，故开挖方式

的选择极为重要。隧道开挖方式众多，根据高速公路隧道的具体 施工特点，现场施工多采用台阶法结合预留核心土施工。但综合 考虑到该洞段围岩条件差，且地下水较发育，为确保施工安全需 对掌子面前方围岩进行注浆加固处理。结合隧道施工条件和工 期要求，最终确定采用全断面帷幕注浆方式加固掌子面前方围岩 以及台阶法预留核心土开挖的施工方式。为了研究超前注浆与 预留核心土对开挖的作用，本文分四个工况对隧道产生的位移量 进行了数值模拟计算，工况划分见表1。

2.2模型建立

本次模拟采用FLAC3D软件，建立103 760个单元，计算模型 分为全风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩、注浆加固区、上下台

收稿日期:2016-09-15

作者简介:牟新伟（1991-),男，在读硕士

A

阶、核心土以及上下台阶衬砌10个部分（见图1)。位移边界条

件:模型的左右两边施加X方向的水平约束,前后两边施加y方 向的约束,模型底部施加Z方向的竖向约束，对整个边界施加岩 土体的自重应力。结合地质勘察资料，并在实地进行了一些试 验，以便最大程度上对各参数准确赋值。不预留核心土模型见图 2,预留核心土模型见图3。

表1

工况列表

序号工况介绍

工况1不注浆，上下台阶开挖工况2不注浆，上下台阶预留核心土开挖

工况3注漿，上下台阶开挖工况4

注浆，上下台阶预留核心土开挖

11

^

—^

阶

原岩

图2

不预留核心土模型

图3预留核心土模型

各工况的竖向位移云图见图4，最大竖向位移计算值见表2

表2

各工况的最大竖向位移

序号工况

最大竖向位移/mm

工况1不注浆，上下台阶开挖267.42工况2不注浆，上下台阶预留核心土开挖

203.23工况3注漿，上下台阶开挖174.64工况4

注浆，上下台阶预留核心土开挖

102.35

图4和表2表明，超前注浆和预留核心土开挖均能较大程度 的降低隧道开挖对围岩稳定性的影响。首先分析超前注浆对竖 向位移的影响,选择上下台阶开挖时，超前注浆可以使最大竖向

位移降低34.69%，选择上下台阶预留核心土开挖时，超前注浆可 以使最大竖向位移降低49. 64% ;再分析预留核心土对竖向位移

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的影响，不进行超前注浆加固时，预留核心土可以使最大竖向位

移降低24.00%，若进行超前注浆加固，预留核心土可以使最大竖 向位移降低41.39%。由此可见，超前注浆加固与预留核心土均 能有效降低隧道开挖对围岩稳定性的影响。

备现场监控量测的条件,所以计算值会比监控量测值大一点，但

是监测值变化曲线与计算值变化曲线形式是基本一致的，见图5。

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

1 ++

拱顶沉降监测值 拱顶沉降计算值

掌子面位置

图5沉降监测值与计算值对比

4结语

针对宁安高速某隧道穿越浅埋软弱围岩洞段,采用了数值模

拟及现场监测对隧道施工方案进行了分析，主要得出以下结论：1) 数值模拟计算表明，若选择上下台阶开挖，超前注浆可以 使最大竖向位移降低34. 69%，而上下台阶预留核心土开挖时超 前注浆则可以使最大竖向位移降低49. 64% ;在不进行超前注浆 加固时，预留核心土可以使最大竖向位移降低24. 00% ,若进行超 前注浆加固，预留核心土则可以使最大竖向位移降低41. 39% ;

2)

结合现场监控量测拱顶沉降最大实测值为21.3 mm,在安

全控制范围之内，表明采取的全断面注浆结合上下台阶预留核心 土开挖的方案是实际可行的，保证了隧道施工安全。参考文献：

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d)工况4(注浆，上下台阶预留核心土开挖）

图4

各工况计算竖向位移云图

经综合比较，为较好控制隧道的围岩变形，现场施工过程选 择全断面注浆结合上下台阶预留核心土开挖。

3围岩稳定性现场监控量测

为了确定隧道开挖引起的拱顶沉降实际值，在隧道开挖至

K75 + 24断面时，布设拱顶沉降监测点，监测频率为一天一次。监 测结果显示,该断面开挖后，拱顶出现了较大幅度沉降，随着隧道 不断开挖，拱顶沉降速率逐渐降低，经过一段时间后趋于稳定。 由于数值计算的结果是自断面开挖便开始统计，而那时候还不具

Study on numerical simulation of tunnel

construction scheme in shallow buried weak surrounding rock

Mou Xinwei Zhu Jianye

Abstract: Taking NingJ an highway tunnel crossing shallow-buried soft surrounding rock section engineering as an example, the paper establishes three-dimensional model by applying FLAC30, respectively calculates surrounding rock stability and deformation under the construction conditions of reserved core soil, up-down-step excavation, pre-casting and so on, carries out field monitoring and control measurement on the basis of numer­ical simulation, and finally points out that ： the arch top subsidence is within controlled scope, the scheme of whole-section grouting combining with reserved core soil excavation better controls the shallow-buried soft surrounding rock deformation.Key words： soft surrounding rock, highway tunnel, numerical simulation, stability, grouting

(Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)