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軟巖隧道施工中超挖問題的處理探究

文檔作者：張小明，陳壽根，霍曉龍文檔來源：西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月15日
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上一篇：商業(yè)綜合體深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

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88
施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2013年1月上
第42卷第1期
軟巖隧道施工中超挖問題的處理探究木
張小明，陳壽根，霍曉龍
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川I 成都610031)
[摘要]軟巖隧道具有變形大和穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，超挖時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。?yīng)用FLAC”分析軟件對(duì)軟巖
隧道的施工過程進(jìn)行了模擬，探討了超挖未回填、未超欠挖、超挖時(shí)采用土石碴回填以及超挖時(shí)采用C40混凝土回
填等工況對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果表明，隧道開挖時(shí)嚴(yán)格控制超挖、超挖時(shí)采用強(qiáng)度較高材料密實(shí)回填對(duì)
隧道穩(wěn)定極其重要。
【關(guān)鍵詞]隧道工程；軟巖隧道；超挖；數(shù)值模擬；圍巖；塑性區(qū)
[中圖分類號(hào)]TU74；U455 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002-8498(2013)01-0088-04
Study on the Treatment of 0ver．．break in Soft
Rock Tunnel Construction
Zhang Xiaoming，Chen Shougen，H uo Xiaolong
(MOE Key Laboratory ofTransportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China)
Abstract：Tunneling in soft rock is featured with large deformation and poor stability．This is especially
true when over—break occurs．This paper simulated the tunneling process in soft rock using FLAC3 D，and
discussed the influence of over-break，under-break，back-filling with stone ballast and backing with C40
concrete on the tunnel stability．It was found that it is very important to strictly control over-break and
when over-break occurs，high strength material should be used for back-filling in dense compaction in
order to keep the tunnel stability．
Key words：tunnels；soft rock tunnel；over·break；simulation；surrounding rocks；plastic zone
1引起超挖的原因及處理現(xiàn)狀
1．1超挖原因
1)由于設(shè)計(jì)規(guī)范要求不允許欠挖，如果隧道存
在欠挖的話，首先的問題就是初期支護(hù)無法按照設(shè)
計(jì)要求安裝，預(yù)留變形量也無法滿足要求，要完全
控制好斷面輪廓的開挖是不可能的，所以超挖就成
為了普遍現(xiàn)象。
2)目前仍主要采用礦山法施工，相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)
或其他方法成本低，而且工序相對(duì)簡(jiǎn)單和適用性
廣，但是礦山法是以鉆爆為手段，鉆孔的精度、深
度，掌子面的鉆孔布置，爆破的炸藥量、復(fù)雜地質(zhì)的
爆炸機(jī)理等都難以準(zhǔn)確把握。
3)在圍巖條件較差即受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重、節(jié)
理發(fā)育、巖體不完整且有軟弱夾層地段，為了滿足
支護(hù)要求超挖較大，由于塌方等原因，可能造成局
部大量超挖。
+中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金資助(SWJTUllZT33)
[作者簡(jiǎn)介】張小明，碩士研究生，E-mail：nostzxm@163．COYII
[收稿日期】2011-10-28；[修訂日期]2012-08-24
4)人為的測(cè)量誤差、隧道施工中趨于保守的預(yù)
留變形量以及施工誤差。
另外，超挖也受隧道埋深和施工方法以及斷面
形狀等影響。但從超挖的本質(zhì)看，由于開挖出現(xiàn)臨
空面，當(dāng)關(guān)鍵塊體優(yōu)勢(shì)面的抗剪強(qiáng)度小于其下滑力
時(shí)，關(guān)鍵塊體就會(huì)塌滑或塌落，形成超挖。
1．2處理現(xiàn)狀
規(guī)范明確要求超挖部分必須回填密實(shí)，但實(shí)際
施工中，由于對(duì)施工質(zhì)量監(jiān)管力度不夠，施工方對(duì)
超挖不夠重視，或一味地追趕工期等，超挖時(shí)只用
混凝土簡(jiǎn)單壓注，不注重壓注效果，甚至不加處理
或簡(jiǎn)單回填砂土碎石。
鑒于以上原因，本文通過模擬分析，把超挖的
各種處理方法的效果以量的形式進(jìn)行表達(dá)。
2數(shù)值模擬分析
2．1計(jì)算模型
2．1．1基本假設(shè)
假設(shè)如下：①圍巖材料采用莫爾．庫倫準(zhǔn)則、大
應(yīng)變變形模型計(jì)算；②地表和各土層均成層均質(zhì)水
萬方數(shù)據(jù)
2013 No．1 張小明等：軟巖隧道施工中超挖問題的處理探究
平分布；③地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍
內(nèi)變化，地應(yīng)力場(chǎng)由垂直的重力自動(dòng)生成；④不考
慮地下水在隧道開挖和支護(hù)過程中的影響；⑤由于
模型取的縱向長(zhǎng)度不大，根據(jù)新奧法原則和一般的
隧道施工經(jīng)驗(yàn)，分析計(jì)算時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)只采用初期
支護(hù)。
2．1．2計(jì)算模型及邊界條件
當(dāng)圍巖距隧道洞身為洞徑的3—5倍時(shí)，其受隧
道開挖的影響可忽略不計(jì)，近似為原始應(yīng)力狀態(tài)，
設(shè)定隧道埋深為600m，因此，模型尺寸設(shè)計(jì)為沿隧
道縱向64m，橫向120m，豎向100m。計(jì)算模型的網(wǎng)
格劃分和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，共有60 032個(gè)
單元。64 220個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型采用位移邊界條件，側(cè)面
限制水平位移，頂部和底面則限制豎向位移。
一矽
圖1計(jì)鼻模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)
Fig．1 Calculation model and the support structure
2．1．3 工況模擬
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隧道超挖的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示Ⅳ級(jí)圍巖
的隧道平均超挖量為9．42cm，與本文所模擬的超挖
量平均值近似。為了充分考慮回填效果及回填材
料強(qiáng)度的不同對(duì)圍巖及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，模
擬時(shí)采用了4種工況進(jìn)行分析，分別為：①工況1
無回填；②工況2無超欠挖；③工況3 砂土碴回
填；④工況4 C40混凝土回填。
2．1．4計(jì)算參數(shù)取值
模擬過程中，材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1，2所示。
2．2計(jì)算結(jié)果分析
計(jì)算時(shí)，對(duì)隧道中間斷面的拱頂和兩拱腰處的
圍巖和初支上的特征點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，且隨著開挖
步進(jìn)行，分析時(shí)每施工步開挖4m，記錄了位移隨開
挖步變化的12組數(shù)據(jù)，拱頂特征點(diǎn)布置如圖2
所示。
圖2拱頂特征點(diǎn)布置
Fig．2 Feature points layout of vault
2．2．1各工況下圍巖位移
不同工況下的拱頂位移沉降、兩幫水平位移的
相對(duì)位移變化曲線(兩幫水平位移的相對(duì)收斂變化
值為隧道左拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移減去右拱腰監(jiān)
測(cè)點(diǎn)的水平位移)如圖3，4所示。
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32—24一16、‰ol 8 16 24 3
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饕?墓器：-鬻120 ＼＼ ～＼、
圖3圍巖拱頂沉降曲線
Fig．3 Subsidence curve of surrounding rocks vault
圖3的分析結(jié)果顯示，隨著開挖的推進(jìn)，當(dāng)掌子
面距監(jiān)測(cè)斷面12m時(shí)，監(jiān)測(cè)面沉降位移開始顯著變
化。開挖到監(jiān)測(cè)面時(shí)，除了工況1的沉降量稍大外，
表1模型參數(shù)
Table 1 Parameters of model
材料黼} 紫要積有效嬲長(zhǎng)度抗器度篙戛囂黿警漿囂箍麓P。囂黑警掣
錨桿45．0×104 1．57 x10～ 3，0
萬方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第42卷
圖4 圍巖拱腰處的水平相對(duì)位移曲線
Fig．4 Relative displacement curve of
surrounding rocks hance
其他幾種工況圍巖拱頂?shù)某两抵荡笮∠喈?dāng)，數(shù)據(jù)表
明，此時(shí)工況1的拱頂沉降約占總沉降的43．3％，
工況2，3，4分別約為占68．4％，60．4％，70．3％。
在相對(duì)水平位移方面，如圖4所示，開挖到監(jiān)測(cè)
面時(shí)，工況1，2，3，4水平相對(duì)位移所占的比值分別
為21．2％，45．5％，33．2％，47．0％。
兩圖均顯示出完成監(jiān)測(cè)面的開挖后，相對(duì)其他
工況變形逐漸趨于穩(wěn)定，工況1短期內(nèi)尚無收斂趨
勢(shì)?？梢姽r1的圍巖仍有較大變形的需要，并引
發(fā)松動(dòng)圈的擴(kuò)大；而回填材料中，土石碴回填的效
果不及混凝土回填；不超欠挖的效果稍次于混凝土
回填但強(qiáng)于土石碴回填。
2．2．2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移分析
支護(hù)拱頂?shù)某两登€如圖5所示。由圖5可以
看出，工況1拱頂位移為正，說明超挖未回填時(shí)，由
于支護(hù)背后存在空洞，同時(shí)底鼓引起支護(hù)底部的向
上移動(dòng)，從而引起監(jiān)測(cè)點(diǎn)向上移動(dòng)，之后由于圍巖
沉降量的擴(kuò)大和底鼓變形趨于穩(wěn)定，拱頂位移也將
逐漸收斂；其他幾種工況下，因?yàn)橐呀?jīng)做了回填處理，
拱頂位移變形趨勢(shì)相當(dāng)，都是開始沉降急增，然后步
入穩(wěn)定變形區(qū)，工況4的沉降最小，工況3最大。
E
E＼
篷
避
腎
嗣；
圖5支護(hù)拱頂?shù)某两登€
Fig．5 Subsidence curve of the support vault
支護(hù)拱腰的水平相對(duì)位移曲線如圖6所示。由
圖6可以看出，支護(hù)后工況4收斂較快，而工況2，3
在計(jì)算完成時(shí)也逐漸表現(xiàn)出收斂趨勢(shì)，且從趨勢(shì)圖
可以看出，工況2的收斂值將小于工況3而大于工
況4；由于工況1超挖未回填，支護(hù)后受底鼓的影
響，開始時(shí)有向圍巖方向的位移，但是再向前開挖
8m之后，圍巖壓擠過來，初期支護(hù)的水平相對(duì)位移
變大，可以看出，在最終計(jì)算完成之后，其水平相對(duì)
收斂曲線還沒有收斂趨勢(shì)，這種情況圍巖最不穩(wěn)定。
E
E＼
穩(wěn)
遙
靛
罌
*
長(zhǎng)
80
圖6支護(hù)拱腰的水平相對(duì)位移曲線
Fig．6 Both side relative displacement
curve of the support
2．2．3 隧道縱向的相對(duì)位移分析
圍巖與初期支護(hù)間的特征點(diǎn)沿隧道縱向的相
對(duì)位移(這個(gè)差值為圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移減去初
期支護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移)曲線如圖7，8所示。
圖7隧道拱腰處軸向的相對(duì)位移曲線
Fig．7 Axial relative displacement
curve of the tunnel arch
距掌子面距離，m
g
E＼
韃毯
攙
窶
．}
蘸
圖8隧道拱頂處縱向的相對(duì)位移曲線
Fig．8 Axial relative displacement curve
of the tunnel tunnel vault
由圖7可知，縱向的相對(duì)位移均為負(fù)，說明圍巖
相對(duì)初期支護(hù)向反開挖方向縱向位移大。工況1，
2，3，4最大相對(duì)位移的數(shù)值依次為一48．6，一16．1，
一34．7，一20．5mm。從趨勢(shì)圖可以看出，工況2，4
的軸向相對(duì)位移在支護(hù)之后馬上收斂，工況3收斂
趨勢(shì)要慢一些，工況1收斂最慢。圖8中，工況1，
2，3，4的最大數(shù)值依次為一23．9，一1．3，一16．6，
一6．1mm，曲線趨勢(shì)同圖7相當(dāng)。
綜合以上兩圖可知，短期內(nèi)超挖未回填的圍巖
萬方數(shù)據(jù)
張小明等：軟巖隧道施工中超挖問題的處理探究91
沿反開挖方向的變形得不到有效控制，工況3雖然
回填，但是土石碴為塑性材料，強(qiáng)度小，抵抗剪切變
形能力弱，難以阻止其相對(duì)變形，所以圍巖不僅沉
降而且沿縱向進(jìn)一步擠壓已支護(hù)區(qū)的圍巖，圍巖受
力變得復(fù)雜，同時(shí)，工況1，3的相對(duì)變形量遠(yuǎn)大于工
況2，4，這是在巖土中導(dǎo)致初期支護(hù)開裂的主要原
因之一，降低了初期支護(hù)的可靠度；而工況2，4有效
阻止了圍巖軸向變形，圍巖的穩(wěn)定性能夠通過監(jiān)控
量測(cè)有效地反映出來。
2．2．4塑性區(qū)的分布情況
圍巖的塑性區(qū)分布如圖9所示。由圖9可知，
塑性區(qū)按工況1，3，2，4的順序依次減小。工況1的
塑性區(qū)似X形，大部分以張拉破壞為主，圍巖沿隧
道凈空方向的松動(dòng)難以得到有效限制；工況3隧道
拱腰及以下大部圍巖以張拉破壞為主，拱頂大部為
剪切破壞；工況2則主要以張拉破壞為主，拱頂局部
為剪切破壞；工況4的圍巖主要為剪切破壞，拱腰及
拱底大部近隧道輪廓為張拉破壞。
a工況1
c工況3 d工況4
圖9圍巖的塑性區(qū)分布
Fig．9 Plastic zone of the surrounding rocks
2．2．5錨桿單元的受力分析(見圖10)
一?％≤ 幺
a工況l
斗j j}7／／ 、／
b工況2
、{}f，’
c工況3 d工況4
圖10錨桿平均軸向應(yīng)力
Fig．10 Average axial force of the cables
由圖10可知，工況l的錨桿全部受拉，越靠近
初支輪廓面受拉幅度越大，且兩腰大于拱頂；工況
2，3的兩腰錨桿受拉，拱頂錨桿局部受壓；工況4的
兩腰錨桿受拉，拱頂及拱腰上部受壓。工況1，2，3，
4的最大應(yīng)力數(shù)值分別為127．1，57．81，65．19，
23．86MPa。結(jié)合圍巖的塑性區(qū)分布可以看出，由于
對(duì)超挖未處理，工況l的圍巖主要為拉應(yīng)力集中區(qū)，
圍巖松動(dòng)廣，錨桿受拉力度也最大；工況2，3，4隧道
拱腰附近的圍巖也為張拉破壞區(qū)，所以錨桿也受
拉，但從拱頂?shù)腻^桿受力可以看出，由于工況4的回
填材料整體硬度大于其他2種，限制了圍巖的變形，
所以錨桿受壓較多，壓應(yīng)力值也大。
3結(jié)語‘
1)超挖未回填情況下的圍巖變形最大，開挖到
監(jiān)測(cè)面時(shí)變形所占總變形量的百分比小，開挖后仍
有很大的變形余地，而土石碴回填限制圍巖變形能
力小，不及C40混凝土回填，未超欠挖的情況對(duì)圍
巖位移的限制不及C40混凝土回填，但相差不多。
2)超挖未回填工況下的支護(hù)變形不能準(zhǔn)確反
應(yīng)圍巖的變形，從而對(duì)于圍巖的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分
困難，而C40混凝土回填對(duì)于保護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)并和支
護(hù)結(jié)構(gòu)一起承載的效果最好。
3)隧道縱向位移方面，圍巖受到開挖擾動(dòng)小的
情況下縱向位移小；而對(duì)于超挖時(shí)，未回填最不利，
土石碴回填其拱腰的軸向位移相對(duì)于來回填降低
了近30％，C40混凝土回填能立即限制圍巖和支護(hù)
之間的軸向相對(duì)位移，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
另外，塑性區(qū)的分布和錨桿的受力也顯示，超
挖未回填情況下圍巖穩(wěn)定性最差；對(duì)于回填材料，
C40混凝土回填比土石碴回填要好。
綜上所述，隧道開挖時(shí)應(yīng)盡量控制超挖現(xiàn)象，
這樣不僅經(jīng)濟(jì)效益最好，而且能保證圍巖的穩(wěn)定性
和提高圍巖的自支護(hù)能力；而對(duì)于隧道超挖，則必
須回填，而且回填材料強(qiáng)度應(yīng)該較高且密實(shí)。
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