分台阶时序扩挖作用的大断面隧道支护围岩力学响应特征试验

王亮; 赵英爱; 宋子帆; 刘志文; 贾康; 孙天翔; 吕祥锋

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501139

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :277-288 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501139

建筑科学

分台阶时序扩挖作用的大断面隧道支护围岩力学响应特征试验

王亮 ¹ ,
赵英爱 ² ,
宋子帆 ³ ,
刘志文 ¹ ,
贾康 ² ,
孙天翔 ³ ,
吕祥锋 ³

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Experiment on Mechanical Response Characteristics of Supported Surrounding Rock in Large-section Tunnels under Step-by-step Sequential Excavation

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摘要

为明确大断面隧道原位扩挖过程中不同扩挖时序对围岩收敛变形和应力重分布的力学响应特征,通过物理模型试验、数值模拟和工程实践相结合的方法,研究了传统中隔壁扩挖法与分台阶时序扩挖法对围岩收敛变形及应力重分布的影响,分析了分台阶时序扩挖法的围岩应力分布规律与位移变形特征。研究结果表明:分台阶时序扩挖法可有效控制围岩的位移量和应力释放率,并减弱传统中隔壁法对围岩应力突降和局部变形的影响;隧道拱脚具有应力集聚特征,左右拱脚集聚应力分别达4.2 MPa和4.6 MPa,超前支护可控制拱顶围岩的初期变形,但扩挖侧围岩表现出较大的位移变化,主要受二次扰动损伤影响;隧道扩挖过程中围岩应力和变形的模型试验值、数值模拟值与工程实测值具有较好的一致性,论证了分台阶时序扩挖法的有效性。研究结果为大断面隧道扩挖法优化和围岩稳定性控制提供了数据支撑和技术依据。

Abstract

To clarify the mechanical response characteristics of surrounding rock convergence deformation and stress redistribution under different excavation sequences during the in-situ expansion of large-section tunnels, a research approach combining physical model tests, numerical simulations, and engineering practice was adopted. The effects of the traditional center diaphragm excavation method and the step-by-step sequential excavation method on surrounding rock convergence deformation and stress redistribution were investigated, and the stress distribution patterns and displacement deformation characteristics of the surrounding rock under the step-by-step sequential excavation method were analyzed. The research results indicate that the step-by-step sequential excavation method can effectively control the displacement and stress release rate of the surrounding rock, reducing the impact of sudden stress drops and localized deformation caused by the traditional center diaphragm method. Stress concentration characteristics were observed at the tunnel foot, with stress accumulation reaching 4.2 MPa and 4.6 MPa at the left and right tunnel foot, respectively. It was found that advanced support can control the initial deformation of the surrounding rock at the tunnel crown, whereas the sidewall rock mass on the excavation side exhibited significant displacement variations, primarily due to secondary disturbance-induced damage. The model test values, numerical simulation results, and field measurement data of surrounding rock stress and deformation during tunnel expansion were found to be in good agreement, verifying the effectiveness of the step-by-step sequential excavation method. The findings can provide data support and technical guidance for optimizing large-section tunnel excavation methods and controlling surrounding rock stability.

Graphical abstract

关键词

分台阶时序扩挖 / 大断面隧道 / 支护围岩 / 力学响应 / 试验研究

Key words

step-by-step sequential excavation / large-section tunnel / supported surrounding rock / mechanical response / experimental study

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王亮, 赵英爱, 宋子帆, 刘志文, 贾康, 孙天翔, 吕祥锋. 分台阶时序扩挖作用的大断面隧道支护围岩力学响应特征试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 277-288 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501139

WANG Liang, ZHAO Ying-ai, SONG Zi-fan, LIU Zhi-wen, JIA Kang, SUN Tian-xiang, LÜ Xiang-feng. Experiment on Mechanical Response Characteristics of Supported Surrounding Rock in Large-section Tunnels under Step-by-step Sequential Excavation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 277-288 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501139

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随着国家经济发展迈入新的历史阶段,公路的运行能力与发展需求也需与时俱进。截至2023年底,全国公路总里程达到543.68万km,比2022年增加8.20万km^[1-2]。与此同时,过去10年间,中国公路隧道里程持续增长,公路隧道里程年均增长约2 500 km^[3-4]。为显著提升通行能力并缓解交通压力,隧道的原位扩建项目逐渐成为工程实践中的常用手段^[5-7]。然而,随着隧道断面尺寸的持续扩大,扩建工程在控制围岩变形和保持围岩稳定性方面的难度也日益增加。

在原位隧道扩挖过程中,大断面隧道形状扁平,缺乏足够的自稳能力,极大地增加了施工风险^[8-11]。因此,大断面隧道建设工程的安全性和稳定性已成为当前研究的热点^[12-14]。Sun等^[15]针对复杂隧道环境中高施工风险的问题,提出了小导洞分步反扩施法,并通过现场监测和理论分析构建了数值模拟模型,证明了该方法在稳定围岩方面的显著效果。Zheng等^[16]在软土地基大断面隧道施工中提出了一种悬挂式中心横隔板的开挖方法,并基于Mindlin弹性方程建立了精细的沉降预测模型,成功预测了地面沉降,同时发现合适的锚杆间距对控制围岩变形有显著效果。Luo等^[17]对老虎山大跨度公路隧道扩建过程中的隧道结构变形行为进行了研究,发现隧道结构经历了快速变形、缓慢变形和稳定变形3个阶段,并进一步探讨了该过程中隧道结构的力学特性变化,为隧道的施工安全提供了重要参考。杨成忠等^[18]针对围岩裂隙发育、岩体完整性较差及地下水等因素对偏压隧道开挖时围岩稳定性造成的不良效应,分析了这些因素对隧道支护和安全施工的影响。武建强^[19]围绕隧道扩建工程中的关键问题,对扩建形式的选择、开挖策略的制定、施工过程中的力学动态变化及支护参数的优化进行了系统研究,评估了扩建过程中隧道的安全性及围岩的稳定性。在隧道扩建施工中,围岩的应力状态和变形模式经历复杂的动态变化,由于现有技术手段对这些复杂变化的把握仍然不足,设计往往沿用新建隧道的规范,导致设计保守、支护失效和资源浪费等问题频发。

现以广州大常山隧道扩建工程为依托,通过物理模型试验对比传统中隔壁扩挖法和分台阶时序扩挖法对隧道围岩稳定性的影响,采用三维数值模拟与现场检测相结合的方法,研究原位隧道改扩建中分台阶时序扩挖法扩挖过程中围岩的应力分布、位移变形等力学响应特征。以期为此类大断面隧道的改扩建施工设计提供有价值的参考依据。

1 隧道原位扩挖物理模型试验研究

1.1 模型相似比和相似材料

大断面隧道扩挖过程中,由于围岩力学性质的复杂性、施工扰动的多样性以及支护体系相互作用的不确定性,不同扩挖时序直接决定了围岩的应力释放模式及变形路径,从而影响围岩的收敛变形和应力重分布等力学响应特征,进一步影响隧道施工的整体安全性与稳定性。因此,以广州大常山隧道工程为例,针对不同扩挖时序对围岩收敛变形和应力重分布的影响规律展开物理模型试验研究。原隧道宽度为18 m,高度为8.7 m,扩建后隧道宽度为21.5 m,高度为9.4 m,围岩强度为61.2 MPa,密度为2 640 kg/m³。试验采用在尺寸为长100 cm、宽50 cm、高50 cm的模型箱中进行,模型原隧道尺寸为长30 cm、高14.5 cm,模型扩建后隧道尺寸为长35.8 cm、高14.5 cm,如图1所示。模型箱为模拟隧道中复杂的应力环境,顶部通过逐级增加砝码的方式对模型施加载荷以模拟地应力,为了方便观察开挖、支护和围岩变形的过程,安装了带有高强度的透明钢化玻璃。试验模拟了60 m厚岩体的扩挖荷载,每次加载282 kPa,相当于增加了17 m的荷载。整个过程分为3次加载,每次加载后,系统会稳压20 min,以确保应力和变形达到平衡状态。

在相似模型试验中,模拟隧道试验模型选择比尺满足1∶60,即将原模型缩小为1/60,各基本物理量满足以下比例关系。

(1)${C}_{L}=\frac{{l}_{\mathrm{N}}}{{l}_{\mathrm{M}}}=60$

式(1)中:C_L为几何相似比;l_N为原型尺寸;l_M为模型尺寸。

由于真实岩石的密度通常较大,而模型围岩的密度受到实验材料的限制,难以完全达到真实岩石的密度。因此,重度相似比设定为C_γ=1.56,其推导过程如下。

(2)${C}_{\gamma }=\frac{{\gamma }_{\mathrm{N}}}{{\gamma }_{\mathrm{M}}}=1.56$

式(2)中:C_γ为重度相似比;γ_N为原型重度;γ_M为模型重度。

黏聚力、应力、弹性模量的相似比可由相似理论推导如下。

(3)${C}_{c}={C}_{\sigma }={C}_{E}={C}_{L}{C}_{\gamma }=94$

式(3)中:C_c为黏聚力相似比;C_σ为应力相似比;C_E为弹性模量相似比。

在相似模型试验中,所有无量纲物理参数的相似比需保持为1,泊松比、应变和内摩擦角的相似比满足以下关系。

(4)${C}_{\mu }={C}_{\delta }={C}_{\varphi }=1$

式(4)中:C_μ为黏聚力相似比;C_δ为应变相似比;C_ϕ为内摩擦角相似比。

围岩模型材料以砂为主,选择围岩的密度、单轴抗压强度、内摩擦角和泊松比等为围岩模型的主要参数,加入白水泥、滑石粉、重晶石粉、乳胶等进行模拟。如图2所示,为了得到满足模型试验要求的相似材料,制作了10组试件来确定力学参数,得出符合条件的围岩相似材料的配合比为砂∶白水泥∶滑石粉∶重晶石粉∶乳胶∶水=1∶0.04∶0.44∶0.22∶0.08∶0.13。原型围岩及围岩模型力学参数如表1所示,模型试验所模拟的地层条件主要为Ⅲ级围岩。相关研究表明^[20],锚杆和锚网在控制围岩变形方面承担重要支撑作用,因此只模拟了锚杆和锚网的支护构件,对其他支护构件进行简化。由于铁丝具有较好的抗拉强度和适当的刚度,能够有效承受施加的拉力,满足试验支护所需的刚度要求,因此选择铁丝和铁丝网作为锚杆和锚网的支护构件。在考虑几何相似比的条件下,选用直径为0.41 mm的铁丝作为锚杆相似材料,用于加固破碎围岩,锚杆铺设采用预埋的方法,每根长度为75 mm,排间距为16 mm×13 mm。为了使锚网在一定程度上满足模型试验的要求,选用网格间距为4.1 mm×4.1 mm的铁丝网作为锚网模拟材料。衬砌模型材料选取石膏、重晶石粉、水泥按照规定的抗压强度配比作为骨料,加以适量的水,搅拌均匀后并进行试件的养护。最终确定满足衬砌模型材料强度的配合比,即石膏∶重晶石粉∶水泥∶水=1∶0.09∶0.03∶1.2,强度为0.38 MPa。原型支护及模型支护尺寸参数和力学参数如表2和表3所示。

1.2 隧道扩挖试验方案

模型隧道采用两种扩挖法,结合人工钻孔的方式进行开挖,隧道扩挖工序示意图如图3所示。传统中隔壁扩挖法工序为:①开挖左导洞上台阶土体并进行初期支护;②开挖左导洞下台阶土体并进行初期支护;③开挖右导洞上台阶土体并进行初期支护;④开挖右导洞下台阶土体并进行初期支护。如图3(a)所示。

在单侧扩建的过程中,扩挖的一侧易受到局部应力集中和位移增大的影响,这使得传统中隔壁法在这种情况下可能面临一些局限性。为了在确保施工安全的前提下,提高施工效率并节约工期,提出了分台阶时序扩挖法,其工序为:①开挖左导洞上台阶土体并进行初期支护;②开挖左导洞下台阶土体并进行初期支护;③开挖右导洞上台阶土体并进行初期支护;④开挖右导洞中台阶土体并进行初期支护;⑤开挖右导洞下台阶土体并进行初期支护。如图3(b)所示。每一开挖步的开挖进尺为5 cm,传统台阶扩挖法进行扩挖共计开挖40个开挖步序,分台阶时序扩挖法进行扩挖共计开挖50个开挖步序。

监测断面选取模型纵向中部位置断面,监测断面的模型试验监测方案如图4所示。土压力盒作为应力传感器,钢弦式位移计作为位移传感器。传感器设备的灵敏度配置完成后,根据模型参数进行模型铺设。将预制隧道实体模型放入模型箱体的预埋位置,并在预埋位置铺设应力和位移传感器。为了保证模型中位移和应力监测的准确性和连续性,在模型边界约5 cm处涂抹了明矾,以确保有效减小边界效应对模型试验的影响。应力和位移传感器布设的实物图如图5所示。图6为隧道模型扩挖示意图,在扩挖过程中同时进行初期支护,待扩挖全部完成后再进行二次衬砌支护。

1.3 围岩变形和应力响应特征

图7所示为不同扩挖法下位移变化曲线,可以发现,扩挖侧拱顶高于非扩挖拱顶的位移量,这是因为扩挖侧受到扰动更大。另外还可以发现,分台阶时序扩挖法下的位移普遍低于传统中隔壁扩挖法,这表明分台阶时序扩挖法在控制位移方面表现出一定的优势,尤其在减少W3和W4的位移上效果最显著,减少幅度为17.7%和27.7%。这是因为右导洞三台阶逐步推进的开挖方式可以避免一次性的大规模扩挖导致的扰动损伤,从而减少围岩的变形量,也因为每一个台阶在开挖之后迅速安装支护,对围岩进行保护,以此减少开挖对扩挖侧拱腰和拱脚区域的应力扰动。

不同扩挖法下应力变化曲线如图8所示。可以发现,围岩应力随着扩挖的进行逐渐减小,其减小趋势与扩挖的进程密切相关。应力释放率是隧道开挖过程中,监测点初始失衡力与实际失衡力差值占初始失衡力的比值^[21]。在扩挖过程中,应力释放率逐渐增加,当扩挖施工到达监测断面附近时,应力变化幅度最为剧烈,随着监测断面逐渐远离扩挖工作面,应力变化量逐渐减小直至稳定。还可以从两种扩挖法下看出W3的应力释放率最大,这是因为其靠近扩挖面,该区域的扩挖量更大,导致局部岩体失去了更多的支撑和约束,结构相对较弱,扩挖过程中岩体的侧向支撑大幅减少,使其更容易产生应力集中和快速释放。从图8(a)中得出W1、W2、W3、W4和W5的应力释放率分别为54.74%、46.18%、57.25%、38.28%和46.49%,从图8(b)中得出W1、W2、W3、W4和W5的应力释放率分别为49.71%、43.75%、52.23%、35.33%和42.24%。可以看出,分台阶时序扩挖法的应力释放率低于传统中隔壁扩挖法,这是因为右导洞的开挖分3次逐渐释放应力,使围岩的应力重新分布更加缓和,避免了两台阶设计下可能出现的应力突然释放和集中现象。这种逐步释放的方式在一定程度上让围岩有时间“适应”应力重分布,有效减少了应力集中带来的局部变形。

2 隧道扩挖数值推演试验研究

2.1 数值模型构建

根据大常山隧道原位扩建围岩实际情况和支护结构设计参数,采用Rhino建模软件绘制隧道模型,借助Griddle插件生成网格后导入至FLAC^3D数值模拟软件中,通过对模型进行预先分组设置,实现对隧道扩建全过程的精确模拟,在数值模拟中建立由三车道扩建至四车道的隧道模型。对Ⅲ级围岩进行分台阶时序扩挖法扩挖,扩挖模拟步骤如图9所示,开挖以2 m为一个循环进尺,每7个步骤为1个循环,共执行两次开挖。扩挖步骤如下。

步骤1 施作隧道超前支护,模拟中简化为一定范围内的围岩物理力学参数强化;施作原隧道二次衬砌钢管撑及扩挖隧道下半断面的临时竖撑、横撑;采用沙袋回填至隧道拱腰位置。

步骤2 拆除左导洞上台阶原隧道衬砌结构,并按新隧道轮廓进行凿除扩挖;施作左导洞上台阶初期支护(安装钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆)及临时支护。

步骤3 拆除左导洞下台阶原隧道衬砌结构,并按新隧道轮廓进行凿除扩挖;施作左导洞下台阶初期支护及临时支护。

步骤4 拆除右导洞上台阶原隧道衬砌结构及二村临时支撑,并按新隧道轮廓进行扩挖;施作右导洞上台阶初期支护。

步骤5 拆除右导洞中台阶原隧道衬砌结构及二衬临时支撑,并按新隧道轮廓进行扩挖;施作右导洞中台阶初期支护。

步骤6 拆除右导洞下台阶原隧道衬砌结构,并按新隧道轮廓进行扩挖;施作右导洞下台阶初期支护。

步骤7 拆除临时支撑,浇筑仰拱二衬。

模型整体尺寸为长80 m、宽12 m、高110 m。隧道在扩建前的埋深为60 m,初始应力场通过自重应力生成。模型的前后、左右和底部边界被固定,顶部为自由边界,以允许自然位移。令压应力为正,拉应力为负;令位移向隧道内为正,向外为负。材料本构模型采用Mohr-Coulomb模型,具体参数如表4和表5所示。为确保与物理模型试验监测数据保持一致,应力和位移监测点根据几何相似比布置在模型隧道的相应位置,以确保数值模拟和物理模型之间的对比准确性。图10展示了详细的三维数值模型示意图和监测点布置。

2.2 围岩应力分布特征

隧道扩建过程中的每一道工序都会造成应力重分布,以2~4 m开挖进尺为例,图11展示了不同施工步骤下的应力重分布过程。在超前预支护阶段,隧道左右两侧拱脚处的压应力最大,压应力值约为3.45 MPa。这一应力集中现象表明,在隧道初始扩建时,上一开挖进尺的拱脚位置承受了最大的压应力。由于隧道向右侧扩建的原因,右拱脚的应力略大于左拱脚,导致应力分布不对称。同时,隧道拱顶和拱腰处的应力相对较低,拱顶形成的应力松弛区略微向左偏移。在扩挖左导洞下台阶阶段时,应力集中区转移至了原隧道的左侧拱脚处,且由3.45 MPa增长至了4.2 MPa左右,增幅为21.7%。左侧围岩的应力显著增加表明扩挖对该区域的围岩稳定性产生了更大的影响,左侧拱脚成为承受主要压应力的部位。在右导洞的上、中、下台阶扩挖过程中,右侧围岩的应力集中程度逐步增加,随着各台阶逐次扩挖,右拱脚的应力逐渐升高,最终在下台阶扩挖时达到顶峰,其应力峰值达到4.6 MPa。

分台阶时序扩挖法各监测点的围岩应力分布特征如图12所示。可以观察到整个扩挖流程中,随着各施工工序的推进,围岩应力在扩挖的影响下经历了多次应力调整。S1和S2的应力在整个施工过程中变化幅度较小,S4在左导洞下台阶扩挖时应力出现了较明显波动,而S3和S5在左侧扩挖时应力相对稳定,但在右导洞扩挖到中台阶和下台阶时,应力出现了显著上升。其中,S4和S5的应力变化幅度明显大于其他监测点。这表明在施工过程中需要特别关注拱脚的安全,加强重点监测和防护措施,以确保施工稳定性。

2.3 围岩变形演变规律

图13为分台阶时序扩挖法各监测点的位移变化特征。模型计算得到W1、W2、W3和W4的位移量分别为5.1、4.3、3.8和2.0 mm。可以看出,在上台阶扩挖过程中,W1和W2的位移变化速率显著增加,其位移明显大于W3和W4的位移;而在右导洞扩挖时,W3和W4的位移变化速率也明显增加。

扩建施工过程中两轮开挖的位移云图如图14所示。可以看出,超前支护在隧道上部围岩中起到了显著的强化作用,使得在右导洞上台阶扩挖前,拱顶的位移较小,支护区域相对稳定。这种强化作用在初期施工阶段有效地控制了隧道上部的围岩变形,确保了结构的初步稳定。左导洞扩挖过程中,其主要位移集中在左仰拱处和右拱顶处,右导洞扩挖上台阶开始时,围岩的变形开始向右下侧扩展,右拱腰处位移变化增大。这种现象表明,在扩挖过程中,应力传递逐步从左侧向右侧转移,尤其在右侧拱腰部位应力集中,导致位移变化增大。当右导洞下台阶扩挖时,右侧仰拱处和右拱腰处的位移急剧增加,其中右侧仰拱的位移变化最大,第一轮开挖时约为17.5 mm,第二轮开挖时约为26.6 mm。

同时可以发现,右拱脚处位移变化最小,这是因为右拱脚受到更多支护结构的有效约束,且受施工顺序和应力变化路径的影响。在隧道扩挖的最终阶段,右仰拱仍然是位移较大的关键区域,因此在施工过程中需要特别关注右仰拱的变化,密切监测并及时进行防护措施,以防止过度位移影响隧道结构的整体稳定性。相比之下,拱顶、拱腰和拱脚的位移变化较小,这说明了支护措施在控制围岩位移方面的显著效果,通过分担和转移应力,成功避免了隧道其他部位发生大幅度变形,从而保障了隧道扩挖过程中的结构安全性和施工可控性。

3 分台阶时序扩挖法工程验证研究

3.1 工程概况

大常山隧道全长624 m,是广东省首例特大断面隧道原位扩建工程,该扩建工程将隧道跨度从18 m增至21.5 m,开挖方量由170 m²增加至250 m²,扩建隧道断面设计图如图15所示。现场勘查显示,覆盖层深度介于30~180 m,围岩类型为花岗斑岩和花岗岩,内部存在破碎带,岩体风化中等,层理倾角为0°~45°,岩体节理裂隙显著发育,单轴抗压强度小于或等于61.2 MPa。根据BQ岩石分类法^[23-24],得到岩体完整性系数为0.62~0.79,BQ值为335~442.5。依照《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)及《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)对围岩等级的划分,隧道围岩主要为Ⅲ级围岩,覆盖层深度为30~60 m。地下水包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水,水位较深。由于隧道邻近高压电塔,围岩变形控制要求较高,但扩挖过程中易产生二次扰动,增加变形量。同时,隧道变形和围岩应力的监测具有较高难度,增大了施工的挑战和风险。

3.2 工程实践验证研究

在隧道扩挖施工过程中,为了确保施工的安全性和有效性,对隧道RK10+510段的不同位置进行了系统监测,现场监测点的布置示意图如图16所示。分台阶时序扩挖法工程实测位移变化规律如图17所示,通过监测数据得到W1、W2、W3和W4的位移分别为4.6、3.6、3.4和2.3 mm。可以看出,W3的位移速率在两个时间段内发生了较快的变化,这是因为在右导洞上台阶和下台阶的扩挖阶段引起的。W1和W2位移变化加速可能主要受到上台阶扩挖的影响,扩挖后应力重新分布,导致位移显著增加。W4位移变化速率增大的原因则主要受到右导洞中、下台阶扩挖的影响,扩挖侧区域承受的地层压力增加,使位移随之变化。结合图7和图13分析,物理模型、数值推演与工程实测的变形收敛规律基本一致,表明模型能够较好地反映扩挖过程中不同位置的位移特性及其动态变化。

图18为分台阶时序扩挖法工程实测围岩应力分布特征。可知,S1和S2的位置由于受到超前预支护和竖撑的共同作用下,在扩挖施工过程中表现出较为稳定的应力状态;S4在左导洞扩挖时应力出现了较明显波动,而右导洞的扩挖使S3和S5的应力迅速上升,波动幅度最大,说明右侧支护系统在扩挖过程中承受了较大的应力波动。结合图8和图12分析,物理模型、数值推演与工程实测的应力分布特征整体表现出较高的一致性。根据图12和图18,分台阶时序扩挖法可以通过优化施工步骤,可以减少扩挖侧的扰动程度,提高隧道整体的稳定性,有效控制扩挖过程中围岩的位移和应力集中。

图19和图20为分台阶时序扩挖法各监测点位移和应力释放率的实测值、模型值与推演值。可以看出,位移和应力释放率的物理模型值相较于实测值偏大。这种差异主要是由于试验条件的限制,未能充分考虑竖撑和斜撑的作用,导致试验中围岩的约束力不足,从而使位移被放大。同时,支护效果的不足也影响了围岩的应力重分布,导致应力释放率偏大,与实际情况存在一定差异。还可以发现,位移和应力释放率的数值推演值相较于实测值差异较小,但某些监测点仍存在一定偏差。位移中S2和S3的差异主要是由于变形过程未考虑时间效应以及围岩的非均匀性。总体来看,各监测点的物理模型值、数值推演值与工程实测值的规律性呈现出较高的相似性,论证了分台阶时序扩挖法的有效性。

4 结论

采用物理模型试验、数值模拟和工程实践相结合的研究方法,研究了传统中隔壁扩挖法与分台阶时序扩挖法对围岩收敛变形及应力重分布的影响,分析了分台阶时序扩挖法在扩挖过程中围岩的应力分布规律与位移变形特征。主要结论如下。

(1) 分台阶时序扩挖法的位移量均低于传统中隔壁扩挖法,右拱脚的位移减小幅度最大,达17.4%;不同扩挖法下右拱肩的应力释放率最大,分台阶时序扩挖法的应力释放率低于传统中隔壁扩挖法。

(2) 左右导洞扩挖阶段,隧道拱脚具有应力集中特征,左右拱脚集聚应力分别达4.2 MPa和3.5 MPa;超前支护可有效控制拱顶围岩的初期变形,随着左导洞和右导洞的逐步扩挖,围岩的位移从左侧逐渐向右侧转移,右侧仰拱表现出较大位移变化。

(3) 隧道扩挖过程中围岩应力和变形的数值推演值与工程实测值具有较好的一致性,论证了分台阶时序扩挖法的有效性。

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