软弱围岩隧道工程力学机理及施工技术研究

密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文软弱围岩隧道工程力学机理及施工技术研究ConstructionTechnologyandConstructionQualityControlMeasuresofWeakSurroundingRockTunnel培养单位：土木工程学院专业领域：安全工程学生姓名：胡扬帆校内导师:宋玉香教授校外导师：王春教授级高工二○一八年一月 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期： 摘要随着我国高铁建设的发展，长大隧道的规模逐渐增大，需求逐渐增多。而在长大隧道施工过程中，由于隧道的埋深较深、穿过山体的长度较长而带来的工程问题也逐渐显露，亟待解决，尤其对于软弱围岩隧道。由于软弱围岩稳定性差、承载能力弱、易产生大变形等问题给软弱围岩隧道的施工带来了极大的困难。本文针对堡镇隧道分析软弱围岩隧道的破坏机理；在确定该隧道的屈服准则以及工程参数的基础上，建立二、三维有限元分析模型。从围岩地层的初始平衡状态到对隧道开挖完成之后，分别从围岩的变形和应力、支护的变形和应力分布等角度进行对比分析。本文以宜万铁路堡镇隧道软弱围岩段为工程背景，采用大型有限元软件ANSYS建立三台阶、CD、CRD有限元模型，针对洞周的位移、支护变形、应力场分布等进行研究分析。计算结果表明：台阶长度、高度以及循环进尺是影响施工安全性的重要因素。最终通过对比分析可知：对于堡镇隧道，台阶法参数的优化结果是开挖进尺采用1m，台阶高度为上台阶高度3.5m，中台阶高度3m，台阶长度为上台阶长度9m，中台阶长度9m时最为合理，该结果可以为同堡镇隧道类似的工程提供一定的参考。其次，针对初期支护在软弱围岩隧道施工中起到的作用进行分析，结果表明：支护结构对围岩起着加固围岩、阻止围岩继续变形的作用，对于一个完整的开挖步序，初期支护的施作明显的减小了洞顶沉降量，并缩小了围岩的塑性区范围。关键词：软弱围岩；长大隧道；沉降；应力场；变形场 AbstractNowthemoment,grewupinthetunnelconstructionandthedesignprocess,mostofthecharacteristicsofthetunnelareconcentratedinalongerlength,depthisdeeper,insuchaspectsasthatitisthesecharacteristicsofweaksurroundingrock,itisbecauseofthesecharacteristicstothesoftsurroundingrocktunnelinweakrocktunnelconstructionbringsgreatdifficulties.Whenthetunnelthroughtheweaksurroundingrockgeological,morepronetolargedeformationofgeologicaldisasters,etc.Aimingattherailwayshouldmillionacrossthelongtunnel-forttown,analysisthefailuremechanismofthetunnelinweakrocktunnel.Whendeterminingtheyieldcriterionofthetunnelandengineeringparameters,onthebasisoffiniteelementanalysismodel,two,three,fromtheformationoftheinitialequilibriumstatetototherightnessofsurroundingrocktunnelexcavationiscompleted,respectivelyfromthesurroundingrockdeformation,stress,theboltingofvariableform,thedistributionofstressfieldAnglehascarriedoutcomparativestudyAtfirst,usinglarge-scalefiniteelementsoftwareANSYSforthetownofforttunnel,3dfiniteelementsimulationanalysisontheⅥthreestepsmethodundertheconditionsofdifferentsurroundingrockexcavation,anddifferentdeformationcausedbyexcavationmethod,displacementandstressresultscontrastanalysis,cometoaconclusion:appliedinweakrocktunnelintheprocess,numericalsimulationofdifferentexcavationschemeisactuallyunloadingarea,excavationfacethedegreeofdisturbanceofsurroundingrock,aselectionofloadreleasefactorforbasispointsafterexcavation,thesurroundingrockstresschangeismorecomplex,canbeappliedintheconstructionprocessinatimelymannerforsupportisvitalfortunnelstability.Secondly,inviewoftheprimarysupportinweakrocktunnelconstructionofeffectisanalyzed,theresultsshowthatthesupportingstructureofsurroundingrockplaysapositivereinforcement,stopsurroundingrockdeformationofsurroundingrock,foranintegratedstepexcavationsequence,andprimarysupportmodifies significantlyreducedroofsubsidence,andnarrowedthescopeofpartoftheplasticzoneofsurroundingrock.Finally,CD、CRDfiniteelementmodelissetuprespectively,andalsoforthedisplacementanddeformationofsupport,tostudythedistributionofstressfieldanalysis,comparingthecalculationresultsunderdifferentexcavationmethodofcontrast.Thenestablishathreedimensionalnumericalsimulationanalysismodelintheprocessofconstructionworkers,theconstructionstepsareinconformitywiththesafetystandards,butmoreimportantistooptimizethesteplength,heightandcirculationspeedofdesignandconstructionofthefinalconclusionbycontrasttothestepsofmethodofparameteroptimizationisexcavationby1m,stepsontheheightofbenchheightof3.5m,heightof3minsteps,stepsonthelengthofthesteps9minlength,steplengthis9minthemostreasonable,thefutureforsimilarforttownoftunnelsduringtheexcavationrefertothisconclusion.Keywords:weaksurroundingrock,tunnel,anchorage,settlement,mechanism 目录第一章绪论...........................................................................................................11.1课题研究意义..................................................................................................11.2软弱围岩隧道的变形机理研究现状..............................................................31.2.1国外研究现状...........................................................................................31.2.2国内研究现状............................................................................................41.2.3软弱围岩隧道施工现状...........................................................................41.3本文主要研究内容和研究方法......................................................................51.3.1研究内容...................................................................................................61.3.2研究方法...................................................................................................6第二章宜万铁路堡镇岭隧道工程概况...................................................................72.1堡镇隧道工程概况..........................................................................................72.2工程水文地质..................................................................................................92.3环境评价..........................................................................................................92.3.1地质评价...................................................................................................92.3.2水土性质评价.........................................................................................102.4软弱围岩隧道特点........................................................................................102.4.1软弱围岩主要工程地质特点.................................................................102.4.2软弱围岩的变形与破坏特性.................................................................112.5隧道施工开挖方法简介................................................................................112.6本章小结........................................................................................................15第三章堡镇隧道软弱围岩施工数值模拟分析.....................................................163.1概述................................................................................................................163.2有限元分析步骤图........................................................................................163.2.1有限元计算分析过程.............................................................................173.2.2ANSYS计算原理...................................................................................203.3隧道设计参数................................................................................................213.3.1计算采用的材料屈服准则.....................................................................223.3.2建立三维开挖模型.................................................................................223.4软弱围岩隧道不同开挖工法有限元数值模拟............................................223.4.1软弱围岩隧道开挖原则及开挖方案.....................................................23-I- 3.4.2建立不同开挖方法的有限元模型.........................................................243.5软弱围岩浅埋隧道施工变形分析................................................................253.5.1三台阶法开挖支护的数值模拟分析.....................................................253.5.2CD法开挖支护的数值模拟分析...........................................................283.5.3CRD法开挖支护的数值模拟分析........................................................313.6计算结果分析................................................................................................343.6.1计算结果.................................................................................................343.6.2结果分析.................................................................................................363.7本章小结........................................................................................................36第四章三台阶法开挖软弱围岩隧道施工参数优化分析.....................................374.1引言................................................................................................................374.2循环进尺长度对计算结果的影响................................................................374.2.1计算模型.................................................................................................374.2.2各工况控制断面拱顶沉降变化.............................................................384.2.3各工况控制断面水平收敛变化.............................................................404.2.4各工况控制断面支护应力变化.............................................................424.3台阶高度对计算结果的影响........................................................................444.3.1计算模型.................................................................................................454.3.2各工况控制断面拱顶沉降变化.............................................................464.3.3各工况控制断面水平收敛变化.............................................................474.3.4各工况控制断面塑性区的变化.............................................................484.3.5台阶高度优化结果.................................................................................504.4锚固区的施加对软弱围岩隧道的影响分析................................................504.4.1无锚固区计算结果.................................................................................504.4.2无锚固区地表沉降结果.........................................................................554.4.3锚固区对地表沉降的影响效果.............................................................564.4.4超前支护对地表沉降的影响效果.........................................................574.5本章小结........................................................................................................57第五章堡镇软弱围岩隧道施工技术探究.............................................................595.1堡镇隧道施工方案优化................................................................................595.1.1优化工区划分.........................................................................................595.1.2开挖支护.................................................................................................595.1.3控制掌子面先行位移技术.....................................................................605.1.4控制拱脚下沉技术.................................................................................615.1.5控制地表下沉技术.................................................................................62-II- 第六章结论.........................................................................................................63参考文献...............................................................................................................65致谢.................................................................................................................67个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文.............................................68-III- 第一章绪论1.1课题研究意义随着21世纪高新尖技术的广泛应用、城市信息化的普及以及新一代建设标准的出台，现代城市交通已经呈现出多种样式，在空间布局上已经不再局限于单一的陆上，而是发展到全方位、多空间，包括地下、水下、空中等不同的交通方式均有了长足的发展。也由于地下公用设施的工程建设以及传统工艺下的矿物开发等技术的发展，让世界地下工程建设数量逐渐多起来。而我国为地下工程及施工技术的发展付出了巨大的代价并取得了客观的成果，这也极大地推动了世界地下工程的技术进步。无论是在学术研究、施工技术方面，还是重难点课题的攻克、现场管理等方面均得到长足发展。这当中，要着重谈一下围岩条件很差的软弱地层地下工程（如隧道）的建设——也是在追求高效率、高质量、更安全的发展地下工程中所面临的一道难题。其中开挖技术上的壁垒已经成为土木工程界乃至整个工程建设行业都感到非常棘手的问题。同时伴随着国家一带一路与城市化进程的加速发展，铁路隧道建设需求和总量也日益变大，而我国交通类的隧道修建困难程度也在变大，根据统计和研究，这些难度在于隧道自身长度的延长、复杂地质水文条件下隧道数量的增长。例如我国海拔最高青藏铁路上的风火山隧道，该隧道难度很大，根据工程概况隧道长度为1338m，铁轨的轨面高程+4905m，该隧道所在的地理位置全部在永久性高原冻土层，因而是目前世界上海拔最高、跨度冻土区最长的高原永久冻土隧道；乌鞘岭隧道在的位置其海拔高达3600m，埋深最大到了1100m，长度到了20.05km，隧道本身的穿越位置就通过四条区域性的大断层，地质环境的复杂程度是世界工程史上都极为罕见的；随着2007年的到来，香-蒲铁路工程隆重开工了，在该工程的左线正线上共有113座规模比较大的铁路隧道，长度已经到了287.648km，所有的隧道长度加起来能够占到建设工程线路总长度45.23％，而更加令人棘手的是，香-蒲铁路线上的隧道长度超过9km的就有9座，每条隧道所穿越的地质条件都极为复杂，不良地质错综布置。比如软弱围岩、高地应力、瓦斯地层等等，在施工时这些问题均需一一克服，现场的存在施工风险与-1- 隐患亦不是小型隧道可比的。由于当前的铁路隧道建设难度加大，这些不利的因素累加起来使得我国的隧道施工安全面临严峻的考验，根据有关部门的相关统计，在2007、2008两年，有20多起隧道施工过程中发生重大安全责任事故。其中两次事故最大，参见表1-1。表1-1两期突出的安全事故表事故地点发生年份事故后果事故等级事故原因36人死亡，103宜万铁路2007特大安全事故高地应力、突水人受伤39人死亡，30人高阳塞隧道2008特大安全事故隧道坍塌受伤虽然轨道交通类隧道事故使铁道部和相关的国家安全生产监督管理总局高度关注这些问题，并因地制宜地采取了很多管理上的和技术上的手段，从而使得一些安全事故得到了一定的遏制。不过，大家都知道在铁路施工过程中，隧道施工安全风险一般会具有很高的不确定性、跟环境的关系很大、不宜提前预测的特征，因而导致我国的轨道交通类、隧道类、地下建筑类等施工的安全事故在一段时期内不断地发生，给国家和人民带来了巨大的经济损失，所谓“金桥银隧”，实质上是指在修建隧道时付出的成本和一旦出现事故所带来的经济损失是巨大的，远超过地面施工，而且在发生事故后还会在人民群众中造成不良的社会影响。根据有关部门的相关统计，纵观国内外隧道的施工，在软弱围岩条件下，隧道在施工过程中经常会发生大变形，统计显示有近40余座，在这些数字中，围岩的变形过大是最多的灾害，大变形的不良影响会拖延工期，而且使工程建设费用的程加速上升趋势，也会使得隧道施工过程中的技术难度提升很多。本文的目标是找到软弱围岩的合理施工方法与支护破坏机理，因此以搜集到的国内外软弱围岩的合理施工方法与支护破坏机理的资料为基础，加之查阅相关的软弱围岩的合理施工方法与支护破坏机理施工技术和研究相关的软弱围岩隧道施工的文献，通过搜集相关的软弱围岩隧道现场施工实例的资料，包括：施工方法、现场监测手段、对难题的实际应对措施和已经有的理论分析研究，最终确定选择“软弱围岩隧道工程力学机理以及施工方法分析”这方面的研究作为论文选题。按照这样的一条思路对论文进行细化直至完成，既能达到本文的主要目的：寻找适合软弱围岩隧道施工的施工方法、总结出典型的软岩隧道-2- 的沉降机理以及变形特性；也能够根据以宜万铁路为代表的实际隧道工程问题，研究解决软弱隧道围岩在此类施工中的变形控制问题，对施工以及支护进行优化处理。1.2软弱围岩隧道的变形机理研究现状由于软弱围岩中围岩体的特殊性，软弱围岩的力学和变形机理纷繁复杂，国内外针对不同的软弱围岩隧道工程，采取了不同的研究方式方法，在软弱围岩的的不同的方面、不同的领域得到了诸多有价值的结论与成果。1.2.1国外研究现状太沙基[1]~[5]早在1946年就提出了岩石在受力状态下有概率被挤出可能的概念。研究者们在太沙基理论的基础上将软弱围岩变形机理分为两类。观点一：在对隧道洞室进行开挖时，为围岩内部的地层应力产生了重分布，此时导致围岩岩体收到的外力超过了本身的抗压强度，这部分围岩岩体进入塑性阶段。观点二：当围岩中有大量挤出式（膨胀式）的岩石或者矿物质，其遇到地层中的其他离子与水会导致这部分岩石膨胀，当膨胀数值过大，即发生大变形。LouisApanek[6]于1952年等发表了软弱围岩的支护悬挂理论，LouisApanek认为在硬岩岩体中，支护，尤其是锚杆可以起到将软弱围岩的松软岩层与坚硬岩体连接，合为一体，在某些方面，锚杆的施加起到了加强围岩稳定性的效果，使得支护更好地受力。德国学者Jacobi[7]在1953年提出组合梁理论，组合梁理论的核心是在软弱围岩中锚杆可以加大层间的摩擦力，防止围岩错动。日本卡其马建筑技术研究院于80年代对软弱围岩隧道中的锚喷支护效果进行了试验研究分析。根据最新的国际岩石力学协会的对于软弱围岩的说明与阐述，在工程中，软弱破碎围岩是当其单轴抗压强度在0.25~0.5MPa这个范围内的一类岩石；Astou[8]认为，研究中围岩在开挖时可能会发生膨胀变形，而如若岩石发生膨胀变形后，这种变形的效用具有一定的时效性，在隧道开挖完成后的一段时间内，可能是几年也可能是十几年之后，最容易也最常见的变形形态是仰拱的-3- 隆起效应；相对而言，隧道的拱顶与边墙位置的变形会较小，甚至没有变形。1.2.2国内研究现状在我国，最早在1984年，关于“煤矿矿山压力名词”的研讨会在昆明市举办，该探讨会的会议结果是得到了不同于国外的关于“软弱围岩”定义，所谓软弱围岩即相对一般围岩来说强度较弱、其中的岩石较为破碎造成诸多的空隙、层间的剪切力小、且其中较为分散的膨胀性、粘性土、粘质粉状土等矿物占到岩石组成的绝大部分时，可称为软岩。徐则民[9]在大量的试验基础上针对软弱围岩的大变形特性与破坏机理进行了深入研究，并将大变形的理论进行了重新定义的工作，使得软弱围岩的概念更加符合实际工程的现状。下固忠[10]在一定意义上对软弱围岩（软弱岩体）进行了化界定义，但是下固忠的界定根据的出发点是围岩变形量：一旦围岩的变形量超过一般岩体的2倍，即岩体在外界荷载的影响下产生的变形最大值>400mm时，这时的变形我们即可称之为大变形，而根据南昆线的家竹菁隧道的经验来看，该隧道的变形的峰值为：单线隧道的变形量为253mm，双线隧道的变形量为505mm。因此，从工程实际来看，如果隧道的围岩变形量的范围为210mm~400mm，可以将该变形作为正常变形与大变形的临界变形值。1.2.3软弱围岩隧道施工现状众所周知我国幅员辽阔，因此所包含的地形、地质水文、铁路干线通多种地形地质，其中成功克服的不良地质分类有这几个种类；在数不清的隧道中，有很多“不幸者”，它们多次穿越高原（尤以青藏高原上的青藏铁路以及其他公路中巨多）、高海拔地区。因此通过修建这些隧道，使得我国公路隧道修建技术堪称“百科全书”之称。虽然我国有很多特殊的地理环境，不良的水文地质，但这些困难反倒促成了铁路隧道的建造施工工艺的突破，也成就了世界上最庞大最优秀的一大批参与的隧道施工建设技术专和专业队伍。国内外著名的大变形隧道参见表1-2。-4- 表1-2国内外著名的大变形隧道表国家隧道名称隧道性质中国乌鞘岭隧道铁路奥地利阿尔贝格隧道铁路日本惠那山隧道铁路中国木寨岭隧道公路由国内外的各位学者的理论研究成果与诸多工程的实际情况可以看出，大变形围岩隧道的基本变形特性可以总结如下：(1)当隧道埋深很大时，极易发生大变形，那么在这些位置处，造成围岩大变形的主要原因是围岩的埋深大、围岩条件差，即软弱岩石的成分比重大，而且经过大量的数据的采集、资料的收集，慢慢发现软弱围岩（软弱岩石）通常含有很大一部分或者一部分具有膨胀性的岩石，即膨胀岩。(2)除了岩性条件弱是软弱大变形的成因之外，围岩的应力条件也是成因之一。同样经过大量的实际工程实例、资料搜集后，软弱围岩通常除含有大部分的膨胀岩之外，还在应力方面较一般围岩要大很多，即高地应力的强度比亦是软弱大变形围岩隧道的特性之一。(3)再有对软弱围岩产生作用的出膨胀岩、高地地应力之外，水的作用是不可忽略的。当地下含有水时，且这部分水有可能对隧道穿越的围岩产生影响时，隧道的变形将产生质的变化，即原先的变形模式为塑形变形，还未产生任何流动性，但当上述情况发生时，围岩的变形破坏的模式就成了为塑性流动模式，而支护的内力破坏类型也转变为弯矩破坏模式。(4)最后，软弱围岩变形量经常是较大的，持续的时间一般很长，短则几天长则几年、十几年，而且此类变形发生时间具有随机性，它可以在发生在开挖进行时，也可以发生在隧道开通运营后的一段时间内、亦有可能发生在开挖完成后与即将运营时之间的空歇期内。而大变形的表现往往是与支护有关系的，譬如在开挖阶段以及在运营阶段初期支护的断裂、混凝土的破裂、裂缝的产生、钢拱架的弯扭与弯曲；二次衬砌的混凝土的剥离、破裂、裂隙的产生、底板混凝土的断裂、隆起、塌陷等形式。-5- 1.3本文主要研究内容和研究方法1.3.1研究内容(1)通过对国内、外典型的软弱大变形隧道多方面的相关资料的搜集，并结合以宜万铁路全线第二长隧道-堡镇隧道为背景的工程，建立二、三维数值模型，分析计算软岩隧道大变形、支护高应力的影响因素、变性特征，并结合该实际工程实例来分析开挖变形特征；(2)三台阶开挖法的基本参数进行分析，包括开挖进尺、台阶高度、长度等，并进行参数优化以找出比较更加适合于典型软弱围岩隧道的施工参数。1.3.2研究方法针对实际隧道工程，采用大型有限元数值模拟软件ANSYS进行必要的理论分析，对不同开挖方案条件下分别进行开挖数值模拟分析计算得出相应结论，并以软弱围岩隧道不同支护技术为核心开展论文工作。以宜万铁路堡镇岭隧道为研究对象，采用的隧道原设计方案为依托，通过对不同的开挖方法进行三维模拟分析，并且将模拟结果（隧道变形位移、支护应力等结果）与实测结果进行对比，并进一步对隧道的不同支护的设置与原方案进行对比分析。-6- 第二章宜万铁路堡镇岭隧道工程概况2.1堡镇隧道工程概况堡镇隧道湖北省长阳县境内，它是宜万铁路隧道群中的长度排名第二的隧道。堡镇隧道的形式是单洞单线铁路隧道，两条线路的横向净间距达到31m。其中左线全长11.5km，右线全长11.6km。隧道全程54%部分处于软岩区域，围岩级别多为V、Ⅵ级，夹杂着一些强度较高的岩石，但是数量及其少，起不到承载作用;隧道断面图如图2-1所示。作为宜万铁路工程的七大控制性工程之一，堡镇隧道的施工质量决定了宜万铁路的整体质量。图2-1隧道断面图隧道在大部分区段内为深埋类型的隧道，覆盖厚度最大约630m，位于整个长阳县褶断带的北部，而且并没有在主要位置。处于整个软弱带边缘，断裂发育走向为东西向，部分区段为连续褶皱带，中间部位没有任何间断，这也是隧道围岩软弱度严重的原因之一。其中最严重的为隧道东端的F1（张性），F2（张性）2条断裂带，其中F2为第四系以下，垂直断距为100m左右。经过地震勘测得到堡镇隧道周围区域的地质素描，如图2-2所示。-7- 图2-2典型软弱围岩地质素描通过地质勘测得知，堡镇隧道穿过的主要岩层为页岩，自稳能力较差，压力稍大即破坏，而另外一个特点使其成为隧道界的“著名岩石”——遇水膨胀，即页岩属于膨胀岩系列。因此在实际工程中，由于页岩的存在，堡镇隧道的最大变形达到了30cm，如此大的变形使得在该处的隧道初支，尤其是钢拱架以及二衬的混凝土受到了严重的破坏，以致于如此多的破坏导致在正常施工与运营阶段均受到了严重影响，且此处的土质多为粘质性与粉性砂土，在左线隧道的进口端有大量的角砾土、粉质粘土、高岭土、膨胀性岩石、以及其他各类型的低抗压强度的碎石、土分布，右线隧道的进口端有块状的积块土、粉质黏土、粘性土。因此使堡镇隧道周围的围岩容易产生较严重的大变形，即使在此处不存在隧道或其他建筑结构，也会由于时间的推移而产生的局部的褶曲、揉皱，造成土体、岩体的多变。同时在对堡镇隧道的开挖过程中也发现：堡镇隧道采用三台阶施工开挖发施工，开挖大掌子面的岩体类型为：上台阶的岩土类型为砾粉质黏土与泥质粉砂岩，二者之间的分层较为明显，并且在隧道边墙的左侧所含有的泥质粉岩量较其他部位而言高很多；中台阶为泥质粉砂岩，黄色强风化的砾粉质黏土与泥质粉砂岩，岩体的节理裂隙发育完全，质地较软弱，泥质粉砂岩破碎程度高；下台阶为紫红色泥质粉砂岩，其他部分为黄色的泥质粉砂岩，两类不同颜色的泥质粉砂岩交错分层，同时存在青灰色白云质灰岩伏于大里程第四系地层之下，与洞深并无相交。而泥质粉砂岩在隧道里程为DK72+834～DK79+887与-8- YDK72+248～YDK79+995处所穿越的地层破碎程度尤其严重。所以本隧道施工所面对最主要问题就是在地应力下的大变形可能导致结构破坏的现象，特别是在在穿越高地应力、较大残余构造应力、浅埋偏压区域及软弱破碎围岩体时，问题会更加明显。隧道工程围岩大变形不仅是一种常见的而且还是危害程度大且处治费用高的施工问题。2.2工程水文地质堡镇隧道地质勘测区域在勘探期间，地下水位埋深范围为11m～11.5m。而水分的来源主要是靠降水即雨水给予补充，地下水类型为潜水。各类含水类别及其参数如表2-1所示。表2-1各类含水类别及其参数岩层类别含水性质渗透系数/m.d-1PH细砂孔隙潜水3~47粗砂孔隙潜水0.2~0.47.4中砂潜水10~157.5贺家坪镇和榔坪镇地区的岩溶水主要位于奥~寒系岩石中，这一系列的岩石主要成分为石灰岩、白云岩，长阳县地区的水系主要分榔坪河水域系统、滹沱河流域两大泉域。两大水域中的岩溶水均处于白云岩和石灰岩中，在两个系之间存在页岩，这一层页岩起到了天然的隔水效果，而且在奥陶系中的石灰岩为更为稳定的隔水层，而在榔坪河历流经此地时形成比较集中的泉群，并且由于榔坪河以下隔水层厚度不大，因此，多有泉水溢出。2.3环境评价2.3.1地质评价隧道穿越节理发育软弱围岩地层，堡镇隧道的拱顶位置原状围岩结构不紧密，相对其他位置而言比较松散，这就造成了拱顶部分的土体没有相当的承载能力，强度低，容易进入塑性区，其本身的自稳能力较差。因此，根据该地区工程地质特征以及《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)-9- 的相关规定，确定堡镇隧道的围岩分级为Ⅵ级。由于隧道的开挖过程的进行，破坏了原有地层地应力，根据前文的叙述，此处受到破坏的土体很有可能坏，可能产生坍塌、掉块等工程问题，在施工中应该采取相应措施防止此类问题的发生，杜绝安全隐患。2.3.2水土性质评价2.3.2.1地下水的腐蚀性评价根据谈~朝区间岩土工程勘察报告，本区间范围内，地下所存在的潜水在一定程度上可能会对混凝土产生微腐蚀破坏；尤其是在干、湿长时间相互交替的复杂空气环境下，钢筋混凝土中的钢筋受到腐蚀的可能与强度会更大，设计、计算时可注意此点。2.6.2.2土的腐蚀性评价本场地的部分土体中含有可能对混凝土结构造成微腐蚀性的物质；该物质亦对钢筋混凝土结构中的钢筋具一定程度的腐蚀性。2.4软弱围岩隧道特点软弱围岩由于强度低、稳定性差、变形持续时间长等特点：在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象，导致初支结构强烈变形甚至破坏，严重影响隧道施工和安全，是隧道建设中遇到的主要难题之一。2.4.1软弱围岩主要工程地质特点隧道开挖后，一般围岩的岩体的变形可以分为三个阶段：初期阶段会发生弹性变形，中期阶段伴随着弹性变形的同时还存在一定的塑性变形，后期阶段岩体的变形进入蠕变变形阶段，同时存在着塑性变形，但是以蠕变变形为主，这时的围岩会产生损伤、断裂、挤出等现象。硬岩主要产生弹性变形和塑性变形，而软弱围岩主要是以产生蠕变变形和塑性变形为主。软弱围岩的变形特征可以描述为以下几点：(1)软弱围岩开挖后变形量较大(2)软弱围岩开挖后变形速度较快(3)软弱围岩的变形持续时间较长(4)软弱围岩受开挖扰动的影响范围较大-10- 由软弱围岩变形特性可知，控制施工阶段围岩变形的发展和减小软弱围岩受扰动的影响范围是软弱围岩隧道施工的控制关键，因此在选择施工方法时要充分考虑变形控制和扰动影响范围的控制。2.4.2软弱围岩的变形与破坏特性软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。这种变形由三部分组成：（1）隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;（2）掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;（3）刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移。如果在施工现场，这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。当隧道上部覆土较浅时，隧道内的变形可能发展到地表，引起地表变形开裂，甚至出现坍塌冒顶的情况。这种坍方对隧道工程的建设和环境的危害性极大。2.5隧道施工开挖方法简介隧道施工就是挖除坑道内的围岩，同时要保证坑道围岩的稳定，因此开挖是隧道施工的第一道工序，同时也是关键工序。在隧道开挖过程中，围岩能否稳定除了围岩自身条件外，开挖方法对于围岩的稳定有着直接的影响。隧道的开挖方法实际上就是隧道开挖后断面所形成的形状。根据隧道开挖后横断面的分布来划分的话，隧道开挖方法可以分为全断面法、台阶法、分部开挖法等等。2.5.1全断面法全断面法开挖就是根据图纸设计的轮廓一次爆破成形，然后初期支护再修筑二次衬砌的施工方法。全断面开挖法有以下特点：(1)开挖断面面积和作业空间很大，工序之间干扰小。-11- (2)能够充分利用各种机械设备尤其是大型机械设备，进度较快，减少人力投入。(3)施工工序较少，因此施工组织与施工管理相对简单。(4)开挖一次成形，对于围岩的扰动较少，有利于围岩的稳定。全断面开挖法的适用条件：(1)适用的地质条件是围岩级别为I~IV级，在用于IV级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护之前能够保持围岩自身的稳定性。(2)有钻孔台车或自制的作业台架及高效率的装运机械设备。(3)隧道开挖长度不宜太短，根据经验一般不应小于1km，否则采用大型机械设备施工时其经济性就会较差。2.5.2台阶法台阶法开挖就是将开挖面分为几个小开挖面，通常分为2个或3个开挖面，开挖面之间不同时开挖，开挖面之间有一定的开挖距离，就是我们所说的台阶长度，其形状就像台阶一样。台阶法按台阶的多少可分为两台阶和三台阶，按台阶长度来划分的话可分为长台阶法、短台阶法、微台阶法等。在施工中要采用哪一种台阶法，主要考虑两个方面，一个是对初期支护闭合时间的要求，闭合越早越有利于围岩的稳定，因此围岩越差就会要求闭合时间越短。另一个就是对上部断面所采用的机械设备需要施工场地大小的要求。对于软弱围岩而言，主要是保证围岩的稳定，因此要求初期支护闭合时间较早，以确保施工的安全。台阶法在施工中应用较为广泛，下面对于长台阶法，短台阶法，微台阶法进行介绍。(1)长台阶法长台阶法开挖断面较小，以确保开挖面的稳定，适用范围较大，主要适用于I~V级围岩，由于在上下两个台阶上分别进行施工，开挖、支护、出渣、排水等工序都单独进行，因此台阶长度较大，所采用的台阶长度一般大于5倍的最大隧道跨度。由于工作面小因此无法使用大型机械设备，降低了施工效率，所以工期要求较长，台阶长度过长就会导致初期支护闭合时间较晚，因此对于控制围岩的变形效果较差，适合围岩条件较好的地质条件。(2)短台阶法短台阶法与长台阶法相比，主要考虑的是使初期支护及时闭合，以控制围岩的变形，短台阶法主要适用于III~V级围岩，台阶长度一般取隧道最大跨度的-12- 1~2倍，也就是10~15m左右，上台阶爆破后，采用人工或小型机械运至下台阶，因此上台阶长度不宜过长。短台阶法的优点是较早的使初期支护闭合，改善初期支护结构的受力情况，能够较好地控制围岩的变形，保证围岩的稳定。其缺点就是上部台阶出渣会对下部台阶施工造成较大的干扰，不能全部平行作业。(3)微台阶法微台阶法适用于V~VI级围岩，台阶长度一般取3~5m，这是因为如果台阶长度小于3m时，则无法进行钻研和拱部喷锚支护作业，如果台阶长度大于5m，则依靠爆破将上台阶石渣翻至下台阶的难度较大。微台阶法的上下断面距离较近，施工设备较为集中，各个工序施工时相互干扰较为严重，生产效率较低，施工速度很慢，因此适合工期无要求的软弱围岩。2.5.3分部开挖法分部开挖法主要是将开挖面划分为几个小的开挖面，大约有3~6个小开挖面，根据开挖顺序的不同可以分为环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁法等几种开挖方法。(1)环形开挖预留核心土法环形开挖预留核心土法主要适用于Ⅵ级围岩单线和V~VI级围岩双线隧道。施工工序为：开挖环形拱部围岩、架立钢支撑、挂钢丝网、喷射混凝土、开挖核心土和下部土体、接长边墙钢支撑、挂网、喷设混凝土、进行封底。二次衬砌则是根据围岩变形适时进行。环形开挖预留核心土法施工的优点是能够较好地稳定工作面的围岩变形，施工较为安全。其缺点是施工工序较多，工序间相互干扰较大，工作效率低等等。(2)双侧壁导坑法双侧壁导坑法相对环形开挖预留核心土法而言略有不同，更适合于软弱性围岩隧道的开挖施工，由于施工断面的形状的特殊性，酷似眼镜蛇的头部，故双侧壁导坑法又称为眼镜蛇开挖法。双侧壁导坑法在控制地表沉降方面的表现尤为突出，如果经济条件、工期等均无特殊要求时，双侧壁导坑法是最优的选择。1)双侧壁导坑法的优点：施工安全、适应性范围大。2)缺点：经济性差、工期长，开挖成本较高，如果在施工时条件不允许，-13- 尽量不采用双侧壁导坑法。双侧壁导坑法开挖示意图如图2-3所示。图2-3双侧壁导坑法开挖示意图(3)中隔壁法(CD)中隔壁法开挖法也叫作CD法，就是在修建隧道时，在掌子面中部施作一个临时支撑，支撑位置根据现场实际情况而定，这道临时支撑将掌子面分成两大部分，每一部分也能选择台阶法开挖；如果在每一侧开挖时，施作一道临时仰拱，即成为CRD法。左右两侧的纵向间距一般取30~50m。CD法开挖示意图如图2-4所示。图2-4CD法开挖示意图中隔壁法经常用于围岩条件更加软弱，且断面面积较大的隧道。中隔壁法施工优点是相比其他开挖方法而言，尤其是台阶法，CD法在控制地表沉降以及收敛变形方面的变现相当突出；但是正是由于中间的临时支撑的孙在，开挖步-14- 序相应增多，这对整个施工过程而言，影响是比较突出的，并且增加了施工的成本。2.6本章小结本章对软弱围岩隧道的特点与变性特征等进行了简要概述，并对宜万铁路堡镇隧道的工程地质条件与水文地质条件进行了简要的说明，最终在阐述过后对该地区的地层进行了地质评价以及水文性质的评价。通过本章的分析与研究为后面的软弱围岩隧道的有限元模型的建立以及进一步分析奠定基础。-15- 第三章堡镇隧道软弱围岩施工数值模拟分析3.1概述本章采用现行常用的计算工程结构分析软件ANSYS，以堡镇隧道为研究对象，建立二、三维有限元模型，进行有限元模拟分析计算得出相应的结果（内力、变形、塑性区等）。针对Ⅵ级围岩条件下的双台阶法的不同开挖进尺，以及不同的开挖方法产生的变形、位移和应力结果对比分析，继而得到软弱围岩隧道周边围岩变形的特性与变形机理。3.2有限元分析步骤图ANSYS分析流程如图3-1所示。其中，前处理包括图3-1前五项，是根据已有的资料与工程地质勘测结果为根据建立合理的二维、三维有限元数值计算模型；后处理包括求解、划分网格等过程，是对求解之后的结果进行查看。3.2.1有限元计算分析过程有限元离散法一般公式的建立是基于研究计算对象的位移变形进行的，以三维的弹性体为例，假设该体比进入塑性阶段，在该三维弹性体上施加三种不同的作用力已得到该三维弹性体的虚位移方程。B在此需要先给出三个概念：该三维弹性上有三种不同的作用力，即体力f、SiI表面力f和集中力F，其中i=1,,q，如果在三种作用力后再考虑初始应力σ的作用，则根据虚位移原理有：TTBSTSiTi（3-1）εσ⋅dV=UfdV+UfdS+UFVVSi虚功方程(4-1)是三维弹性体在平衡转态势的一种表达形式。而在有限元离散法计算过程中，通常会将三维弹性体近似等效，或者近似表示成离散的离散元不等分体，这种离散元的不分体是为了保证在近似过程中-16- 相邻单元依然可以在边界上具有连续性的位移。定义工程名定义单位定义单元类型定义实常数定义材料特性创建有限元模型材料属性划分网格定义分析类型施加载荷、求解查看计算结果图3-1ANSYS分析过程如果假定每个单元在特定的坐标系下计算得到的位移或者应变为一个函数，该函数表示的是l个有限元法节点上的位移。因此，对于相邻的单元m，有如下形式的位移、应变公式：-17- u(m)(x,y,z)=N(m)(x,y,z)U（3-2）(m)(m)ε(x,y,z)=B(x,y,z)U（3-3）式中，U代表所有节点的X、Y、Z方向上的位移变形量，且由这三个方向上的位移量组成的节点位移总量。即U是一个3l维的唯一变形向量，其表达公式为：TU=[]UVWUVW（3-4）111nnn利用式(3-3)和式(3-4)，利用直接刚度法能从单个单元的位移矩阵整合为一个整体结构的总体变形矩阵。应变、蠕变、流变三者之间的关系可以表示为：(m)(m)(m)I(m)σ=Dε+σ（3-5）如式(3-4)，所有对于单元在计算过程中产生的位移的假定，利用该假定可以推导各个单元之间的位移关系的平衡方程。第一步，将式(3-1)进行简单处理计算后，得到以下形式的积分求和公式：(m)T(m)(m)(m)TB(m)(m)(m)εσdV=(m)UfdVVVmmS(m)TS(m)(m)+(m)UfdSSmiTi+UF（3-6）i利用式（3-3）和（3-5）代入，可得T(m)T(m)(m)(m)T(m)TB(m)(m)UBDBdVU=UNfdVV(m)V(m)mm+NS(m)TfS(m)dS(m)S(m)m(m)TI(m)(m)−BσdV+F（3-7）V(m)m式中，F是作用在有限个单元的个体之间节点上的外加荷载分量的向量表示，其中单元的交界处的节点产生的位移向量U与这若干个单元的性质：位移、外力无关。由式(3-6)可以得到一个平衡方程，该方程是用来求解节点位移的，进一步-18- T在该平衡到方程中引用虚位移的计算原理，并得到等式U=I；反过来而言，有限元中相邻单元之间存在平衡方程组为：KU=R（3-8）式中，R=R+R−R+R（3-9）BSIC其中，矩阵K是有限个单元的个体之间的刚度矩阵的具体表达式。K=B(m)TD(m)B(m)dV(m)（3-10）V(m)m值得注意的是，有限个单元的个体之间是不能存在任何支座的，因此，在得到平衡方程组之后的步骤即是施加边界条件，该边界条件是如梁、桁架等在计算时需要支座约束的结构一样，在分析时，该支座的条件下加上位移的边界条件继而进行分析及打算才更加符合实际情况。即倘若将施加位移条件的平衡方程公式(3-9)写成如下的形式的公式，如式（3-11）所示：KaaKabUaRa=（3-11）KKURbabbbb式中，U是目标节点位移需要求得的变形量，U是边界位移已经求得的位ab移变形值，两者结合即得到式（3-12）：KU=R（3-12）aaaa式中R=R−KU，节点位移为未知时的变形量节点，U的节点力通过aaabbb式（3-12）计算公式中得到：R=KU−KU（3-13）bbaabbb那么，紧接着可以得到在总体作用力下的向量作用力R为：R=N(m)T[]fB(m)−ρ(m)N(m)UdV(m)（3-14）BV(m)mB(m)(m)式中f已经去除了惯性力的概念，U在此代表节点的位移加速度，而ρ为单元m的质量密度。在此情况下，平衡方程组为：MU+KU=R（3-15）-19- 式中U和R都是随时间变化的，矩阵M是结构的质量矩阵：M=ρ(m)N(m)TN(m)dV(m)（3-16）V(m)m可以得到：对应于式(3-16)的表达式：R=N(m)T[]fB(m)−ρ(m)N(m)U−κ(m)N(m)UdV(m)（3-17）BV(m)mB(m)在以上的条件下，作用力向量f包括的不仅仅是惯性力和阻尼力，即使该阻尼力是隧速度变化而变化的，如果用U来代表单元之间相邻节点的速度分(m)向量，那么κ则是代表单元m的阻尼特性参数。这时，整体结构在计算时需要代入计算的平衡方程组为：MU+CU+KU=R（3-18）式中，C是结构的阻尼矩阵，阻尼矩阵在形式上能够以以下形式表示：C=κ(m)N(m)TN(m)dV(m)（3-19）V(m)m3.2.2ANSYS计算原理(1)地层结构法原理0在洞室开挖以前，初始应力场{}σ状态，对于一般围岩特性而言是比较稳定的；而对于软弱围岩而言初始应力场相对来讲是比较容易失稳。开挖后，初始地应力变化，开始重新调整本身，在此过程中有一定量的位移，被称为两个22应力场和位移场即({}σ及{}u)，若洞室的地应力水平及周围的变形和位移不大于岩体的强度及位移和变形的允许值，整个隧道周围的围岩土体仍是稳定的。这些方法的结果是有限的，由于少数的分析解决方案，在上述领域。外荷载作用下弹性体的变形能U的表达式可以表示为：TUK=1/2δδ(3-20)外荷载的势能为：TWR=δ(3-21)变形体的总势能Π为：TTΠδ=−=UW1/2(Kδ−δR)(3-22)根据最小势能原理，Π取零，得：KRδ=(3-23)-20- 式(3-20)即代表着计算节点位移的过程，以此为依据可以求解围岩与衬砌的应力。岩体和隧道衬砌结构一般为钢筋混凝土或普通混凝土时，岩体的本构关系是非线性的。式(3-20)仍为基本方程。岩体开挖前，岩体处于初始应力状态，隧道开挖后，隧道的应力发生改变，进入二次应力场。二次应力场的出现是隧道开挖后的必然会达到的应力效果，而隧道整体的这个场状态是可以通过有限元分析计算反映出来的。其计算式为：iiii+−11iii+−11Pbx=+[2σσx(12bbba)++++x2σx12ττxz(12aaa)++xz2τxy1]/6(3-24)iiii+−11iii+−11Paz=+[2(σσz12aaab)++++z2σz12(ττxz12bbb)++xz2τxy1]/6(3-25)iii式中，axx=−；axx=−；bzz=−；bzz=−；σ、σ、τ11ii−21ii+11ii−21ii+xzxzii分别为单元点i的第一正应力和剪应力分量；P、P为分别为单元点i在横向及xz纵向方向上的等效结点力；x、z为分别为结点i在横向及纵向方向上的分量。ii3.3隧道设计参数堡镇隧道横断面主要是Ⅵ级围岩，参照《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)，分析、计算时采用的地层物理力学指标如表3-1所示，计算时只考虑地层的影响，而不考虑地城中所含有的潜水、裂隙水等的影响。表3-1地层的物理力学指标重度弹性反力系数变形模量内摩擦角粘聚力-3-1泊松比νϕ/(°)γ/(kN⋅m)K/(MPa⋅m)E/GPac/MPa16.51000.450.41200.15堡镇隧道设计参数：初期支护：φ40超前小导管内注浆液以提高围岩的稳定性，小导管的纵向布置间距为30cm；在系统的顶部90°~120°范围内加设直径为φ22的砂浆锚杆，锚杆l=3.5m，间距1×1m；二次衬砌设计参数：厚度50～70cm，主筋φ25的钢筋混凝土。按照实际的围岩级别划分，其中具体的设计参数如表3-2所示。-21- 支护结构力学参数如表3-3所示。表3-2堡镇隧道复合式衬砌设计参数表初期支护二次衬砌围C25锚杆钢筋网钢架间距仰拱岩拱墙喷混网眼或底级长度间距厚度厚度部位间距（m）部位直径尺寸规格板厚别/m/m/cm/cm/cm度/cm拱部3.0拱部I22a全环Ⅴ351.2×1.2φ820×2060※70※型钢0.6边墙3.5边墙表3-3地层的物理力学指标重度支护介质-3变形模量E/GPa泊松比νγ/(kN⋅m)锚杆（φ22）772100.2C25喷射混凝土25270.16C25模筑混凝土2529.50.23.3.1计算采用的材料屈服准则计算中采用弹塑性平面应变模型，涉及到的岩土工程材料的非线性计算过程遵循D-P准则，ANSYS在土木工程领域经常采用D-P准则，因此，堡镇隧道在建立有限元模型以及分析计算时，即在开挖分析时采用的材料屈服准则为DP准则。另外，有限元计算的两个不可或缺的参数：粘聚力c与内摩擦角φ都可以通过规范规定的Ⅵ级围岩材料表查到。3.3.2建立三维开挖模型（1）材料属性选择：在进行隧道工程开挖时通常将隧道周边的岩土层设置为PLANE42实体单元类型单元；而支护结构则采用BEAM3（二维）、solid45（三维）梁单元类型单元来模拟。（2）应力应变假设：本文中地层结构的应力-应变关系假设为完全弹塑性范围。模型受到的外来荷载考虑围岩与衬砌自重。本文中地层结构模型的计算范围X=100m，Y=100m，共计单元12488单元-22- 节点。支护中钢拱架的抗压强度进行强度-模量折算，计算方法如式(3-30)：S×EggE=E+(3-30)0SC式中：E-经过运算处理后得到的混凝土弹性模量(MPa)；E0-初期支护的混凝土的弹性模量(MPa)；Sg-钢拱架截面面积(m)；Eg-型钢弹性模量(MPa)；S2C-喷射混凝土截面面积(m)3.4软弱围岩隧道不同开挖工法有限元数值模拟3.4.1软弱围岩隧道开挖原则及开挖方案软弱围岩隧道施工时，其开挖、支护必须严格遵循“十八字”原则，具体原则如下：(1)管超前：采用各种超前支护手段对掌子面进行加固处理。即在开挖隧道过程中，掌子面的稳定性在一定程度上决定了施工的成败，故而在施工的过程中需要根据设计要求沿隧道的拱部120°左右的范围内，打入Φ40的超前注浆小导管，并早导管内部进行注浆处理，使浆液顺导管流入土体内部，从而起到加强支护的作用。(2)严注浆：超前支护后例如堡镇隧道的超前小导管施作后，小导管内的浆液的压力达到320~500kPa，足以扩散到周围一定范围内的土壤中。在软弱围岩的开挖过程中，尤其是诸如堡镇隧道这样的含有软弱围岩岩体以及膨胀页岩的隧道中施工，在导管中进行注浆时，注浆压力的把握是至关重要的。所注浆液可以将破碎的围岩土体包裹起来，使其成为完整的整体，更好地防止了地层的沉降，尤其是开挖对地表的沉降影响。(3)短开挖：尽量缩短开挖进尺的长度，尽可能在每次开挖完成后及时封闭支护，而且需要加强及时的监控量测，以及在初支施作完成后随即进行喷射混凝土。(4)强支护：加强对开挖与未开挖土体的支护，尽量减少隧道断面各个反向-23- 的变形位移量。(5)快封闭：即快速关闭，尽快支持关闭，提高机械性能。3.4.2建立不同开挖方法的有限元模型开挖工况分为：三台阶法、CRD法（中隔壁加临时仰拱）和CD法（只加中隔壁）五种，分别针对这三种工况建立了有限元弹塑性模型，模型除断面形式不同外，其他条件，如边界条件、模型尺寸、支护参数、约束条件、应力释放率等多角度进行对比研究，在对隧道施工开挖过程进行数值模拟时，进而确达到比较适合通用参考图所示的断面形式的隧道的开挖方法。各工况建立的二维有限元模型如图3-3所示。a.CRD法开挖法b.CD法开挖法c.三台阶开挖法图4-3三种不同工法数值分析模型计算采用的地层物理力学指标见前表3-1所示。-24- 堡镇隧道埋深20m，本节通过以上三种工况的建模计算分析，得出了对应开挖方法开挖后地表沉降曲线。3.5软弱围岩浅埋隧道施工变形分析用ANSYS有限元软件对堡镇隧道开挖进行二维平面计算分析。3.5.1三台阶法开挖支护的数值模拟分析三台阶开挖方法计算参数见上表3-1，计算模型及其网格划分如图3-4。图3-4三台阶开挖有限元数值计算模型3.5.1.1位移场分析隧道采用三台阶开挖法所引起的拱顶沉降曲线如图3-5所示。-25- a.三台阶法地层竖向位移云图b.三台阶法地层水平位移云图图3-5三台阶法开挖法位移场云图隧道采用三台阶开挖法所引起的拱顶沉降曲线如图3-6所示。图3-6三台阶法引起的拱顶、拱脚沉降曲线通过图3-6可知：三台阶法开挖所引起的最大拱顶沉降量为113.6mm，这其中由于上台阶的开挖引起的沉降贡献最大，占到整个沉降量的94%以上，达到88mm。开挖洞顶开始沉降，经过一个时间段，对上台阶进行支护后，这时沉降并没有随着支护的施作而停止，而是继续增大，这是由于上台阶开挖支护后，继而是中、下台阶的开挖，这样一来，上台阶的拱脚位置处已没有承载处，最终洞顶沉降定在116mm左右；而剩下的6%是由于中、下台阶的开挖所引起的。因此，控制整个隧道洞室的拱顶沉降的关键所在即为控制上台阶的开挖，在开挖时及早完成支护，以及早稳定洞顶沉降，避免无限制地发展下去，引起坍塌，-26- 这样洞整个掌子面的开挖引起的拱顶沉降量将会大大减小。洞周水平收敛曲线如图3-7所示。图3-7三台阶法引起的洞周收敛曲线表3-4列出了在开挖的不同过程节点时，洞室的水平收敛值。表3-4不同开挖步骤引起的洞周水平收敛变形值（单位：mm）不同开挖步骤引起的收敛值（递增过程）监测部位上台阶开上台阶支中台阶开中台阶支下台阶开下台阶支挖护挖护挖护最大跨度142527293032处拱脚--------31.132.53.5.1.2应力场分析隧道采用三台阶开挖法所引起的应力与塑性区范围如图3-8所示。a.三台阶法地层塑性区范围b.三台阶法地层第一主应力云图图3-8三台阶法开挖法应力场云图-27- 由图3-8所示，最大主应力发生在拱脚位置处，极值为0.161MPa；开挖完成后依然存在塑性区，尤以拱脚与墙脚塑性区范围最为明显。拱底隆起曲线如图3-9所示。图3-9三台阶法引起的拱底隆起量曲线表3-4列出了在开挖的不同过程节点时拱底的隆起值。表3-5不同开挖步骤引起的开挖面底部的隆起值（单位：mm）不同开挖步骤引起底部的隆起值（递增过程）监测部位上台阶开上台阶支中台阶开中台阶支下台阶开下台阶支挖护挖护挖护开挖面底6480103122136152部3.5.2CD法开挖支护的数值模拟分析选用CD开挖方法，依旧建立有限元模型，设置隧道开挖的应力的释放率为70%，计算参数见前表3-1，计算模型及其网格划分如图3-10所示，中隔壁的分布如图3-2(b)所示。图3-10CD开挖方法有限元法模型-28- 开挖步序：1-左侧土体开挖；2-左侧支护施作；3-中间临时支护施作；4-右侧土体开挖；5-右侧支护施作；6-拆除中间临时支撑。3.5.2.1位移场分析隧道采用CD开挖法所引起的拱顶沉降曲线如图3-11所示。a.CD法地层竖向位移云图b.CD法地层水平位移云图图3-11CD法开挖法位移场云图隧道采用CD法(中隔壁法)开挖，其所引起的洞室的拱顶沉降曲线如图3-12所示。图3-12CD法引起的拱顶、拱脚沉降曲线通过图3-12可知：CD法开挖所引起的最大拱顶沉降量为92mm，拱脚最大沉降量为58.5mm。随着开挖与支护的交替进行，拱顶与拱脚的沉降量均随之-29- 增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的拱顶沉降量。隧道采用CD开挖法所引起的洞周水平收敛曲线如图3-13所示。图3-13CD法引起的洞周收敛曲线CD法开挖最终所引起的洞周收敛为36.78mm，随着开挖与支护的交替进行，洞周收敛量随之增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的洞周收敛量。3.5.2.2应力场分析隧道采用CD开挖法所引起的应力与塑性区范围如图3-14所示。a.CD法地层塑性区范围b.CD法地层第一主应力云图图3-14CD法开挖法应力场云图-30- 由图3-14所示，最大主应力发生在拱脚位置处，极值为0.168MPa；开挖完成后依然存在塑性区，尤以拱脚与墙脚塑性区范围最为明显。采用CD开挖法所引起的隧道底部的隆起（局部有塌陷变形）曲线如图3-15所示。图3-15CD法引起的拱底隆起曲线CD法开挖最终所引起的拱底隆起量为138.5mm，随着开挖与支护的交替进行，拱底隆起量随之增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的拱底隆起量。3.5.3CRD法开挖支护的数值模拟分析CRD法的有限元计算模型及其网格划分如图3-16，台阶分布如图3-2(c)所示。-31-图3-16CRD开挖方法有限元法模型 开挖步序：1-左侧上部土体开挖；2-左侧上部支护施作；3-中间临时支护施作；4-左侧下部土体开挖；5-左侧下部支护施作；6-右侧上部土体开挖；7-右侧上部支护施作；8-中间临时支护施作；9-右侧下部土体开挖；10-右侧下部支护施作；11-拆除中间临时支撑。3.5.3.1位移场分析隧道采用CRD开挖法所引起的拱顶沉降曲线a.CRD法地层竖向位移云图b.CRD法地层水平位移云图图3-17CRD法开挖法位移场云图如图3-17所示。隧道采用CRD开挖法所引起的拱顶沉降曲线如图3-18所示。图3-18CRD法引起的拱顶、拱脚沉降曲线-32- 通过图3-18可知：CRD法开挖所引起的最大拱顶沉降量为81mm，拱脚最大沉降量为62.1mm。随着开挖与支护的交替进行，拱顶与拱脚的沉降量均随之增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CRD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的拱顶沉降量。隧道采用CRD开挖法所引起的洞周水平收敛曲线如图3-19所示。图3-19CRD法引起的洞周收敛曲线由图3-19可以看出：CRD法开挖最终所引起的洞周收敛为33.65mm，随着开挖与支护的交替进行，洞周收敛量随之增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CRD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的洞周收敛量。3.5.3.2应力场分析隧道采用CRD开挖法所引起的应力与塑性区范围如图3-20所示。-33- a.CRD法地层塑性区范围b.CRD法地层第一主应力云图图3-20CRD法开挖法应力场云图由图3-20所示，最大主应力发生在拱脚位置处，极值为0.168MPa；开挖完成后依然存在塑性区，尤以拱脚与墙脚塑性区范围最为明显。采用CRD开挖法所引起的拱底隆起曲线如图3-21所示。图3-21CRD法引起的拱底隆起量曲线CRD法开挖最终所引起的拱底隆起量为128.8mm，随着开挖与支护的交替进行，拱底隆起量随之增大，而在右侧开挖之前中间临时支撑施作之后，位移变形速率明显变缓。因此，中间临时支撑对于CRD法而言至关重要，即意味着控制好了整个掌子面的开挖引起的拱底隆起量。-34- 3.6计算结果分析3.6.1计算结果三种开挖方法后地表沉降曲线对比如图3-22所示。三台阶法开挖引起地面沉降CRD法开挖引起的地面沉降CD法开挖引起的地面沉降图3-22三种开挖方法后地表降曲线对比由图3-22可得出三种开挖方法对地表的影响程度依次为：CRD法