摘要: 为确定某抽水蓄能电站引水隧洞浅埋V级围岩段的合理开挖循环进尺，保障施工安全与效率，采用FLAC3D建立三维数值模型，模拟全断面法下1 m、1.5 m、2 m、2.5 m四种循环进尺的开挖过程，分析围岩位移、支护结构内力及塑性区分布特征。结果表明：随着循环进尺增大，拱顶沉降(6.1 mm→6.83 mm)和水平净空收敛(6.14 mm→6.94 mm)略有增加，但均满足允许值；支护结构内力(锚杆轴向应力、弯矩)显著增大，1.5 m进尺时锚杆轴向应力比1 m增大1.2倍，2 m时比1.5 m增大2.4倍，2.5 m时比2 m增大3.4倍，而1.5 m进尺时支护内力相对较小；1~2 m进尺时围岩塑性区未连贯成环，稳定性较好，2.5 m时塑性区略有扩展但仍可控。综合围岩稳定性与支护受力分析，全断面法循环进尺1.5 m为最经济合理的选择，既满足开挖稳定要求，又优化了支护内力分布，可为类似工程提供参考。
Abstract: To determine the reasonable excavation cycle advance rate for the shallow-buried Grade V surrounding rock section of a water diversion tunnel in a pumped-storage power station and ensure construction safety and efficiency, a 3D numerical model was established using FLAC3D. The model simulated the excavation process of the full-face method with four cycle advance rates (1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m), and the characteristics of surrounding rock displacement, support structure internal force, and plastic zone distribution were analyzed. The results indicate that: with the increase of cycle advance rate, the vault settlement (6.1 mm to 6.83 mm) and horizontal clearance convergence (6.14 mm to 6.94 mm) increased slightly, but all remained within the allowable limits; the internal force of the support structure (axial stress of bolts, bending moment) increased significantly—compared to the 1 m advance rate, the axial stress of bolts at 1.5 m increased by 1.2 times; at 2 m, it was 2.4 times higher than that at 1.5 m; and at 2.5 m, it was 3.4 times higher than that at 2 m. However, the internal force of the support structure at 1.5 m advance rate was relatively small. For advance rates of 1~2 m, the plastic zone of the surrounding rock did not form a continuous ring, exhibiting good stability; at 2.5 m, the plastic zone expanded slightly but remained controllable. Comprehensively analyzing the surrounding rock stability and support force, the 1.5 m cycle advance rate of the full-face method is the most economical and reasonable choice. It not only meets the requirements of excavation stability but also optimizes the distribution of support internal force, providing a reference for similar projects.
1. 引言
隧洞开挖循环进尺作为控制围岩稳定性的核心施工参数，直接关系到工程安全与施工效率的平衡。现有研究虽已取得一定成果，但仍存在显著不足：首先，多数研究基于单一工程背景，如李林毅等针对巴哈高速公路东天山隧道2#斜井的研究[1]，王怀正等针对富水弱胶结地层大断面隧道的研究[2]，均未提炼出具有普遍适用性的理论框架；其次，缺乏对支护结构内力突变机制的定量分析，韩峰等虽采用有限元法模拟全断面、台阶法开挖过程[3]，但对支护内力的非线性增长规律缺乏深入解析；戚长军等通过现场监测与数值模拟相结合[4]，揭示了围岩变形与衬砌内力的相关性，但研究重点偏向定性描述。张坚等采用正交试验法分析土层参数对衬砌内力的影响[5]，段长高等从围岩竖向位移、隧道净空收敛、支护结构内力、围岩塑性区四个角度进行分析[6]，但均未系统性地建立进尺优化的决策模型。
本文旨在解决浅埋V级围岩全断面开挖中如何定量平衡支护结构内力突变风险与施工效率这一更具普遍性的问题。通过建立FLAC3D三维数值模型，系统分析不同循环进尺(1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m)对围岩位移、支护结构内力及塑性区分布的影响，揭示进尺变化与围岩响应的协同机制，为类似工程提供科学的决策依据。
2. 工程概况
某抽水蓄能电站引水隧洞工程，为水利工程短距离隧道。隧道中间有60 m长的浅埋段，为圆形隧道，洞径为4 m，隧道埋深15.0 m，工程纵剖面如图1所示。该隧道主要穿过地层岩性云梦山组二段岩性，石英砂岩、长石砂岩、泥岩、页岩、粘土质砂岩互层，多呈弱风化~微风化状态，石英砂岩、长石砂岩属坚硬岩，强度高。泥岩、页岩强度较低，且存在遇水软化、崩解现象。粘土质砂岩强度低，且局部具砂状特征，呈砂粒或砂土状，呈强风化状态。岩体多为完整性差~较破碎岩体；云梦山组一段岩性为石英砂岩、长石砂岩等，多呈微风化状态，少量为新鲜状态，岩质坚硬，隧道围岩经判断为Ⅴ级围岩。隧道初支是10 cm厚喷射C20混凝土。锚杆采用C22锚杆，锚杆长4.5 m，深入岩石4.4 m，间距2 m，梅花型布置。该隧道采用全断面法开挖。
Figure 1. Engineering longitudinal section diagram
图1. 工程纵剖面图
在隧道施工过程中，软弱围岩的变形控制是确保工程安全的关键。根据《水工隧洞软弱围岩变形控制技术规范》(SL/T 803-2020)和《水工隧洞设计规范》(SL 279-2016)的相关规定，施工安全判定应以最大变形值作为主要控制指标。其中，拱顶沉降的允许最大值为40 mm，但出于安全考虑，实际控制极限值设定为30 mm，并在沉降达到20 mm时触发预警；水平收敛的极限值取拱顶沉降极限值的2倍，即80 mm，预警值为40 mm。当监测数据显示拱顶沉降超过30 mm或水平收敛超过80 mm时，表明围岩变形已进入危险状态，必须立即采取加固措施；而沉降达到20 mm或收敛达到40 mm时，则启动预警机制，加强监测并做好应急准备。这一控制体系通过分级预警和严格限值，既确保了施工安全，又避免了过度反应造成的资源浪费，同时沉降与收敛的比值关系(1:2)也符合工程实测数据的统计规律。
3. 模型建立
3.1. 模型建立
本文以埋深为15米长的浅埋段隧道为研究对象，其穿越的地质条件为典型的Ⅴ级破碎带，隧道设计为直径4米的圆形断面，总长30米。建立宽20米(取3至5倍洞径以确保边界效应最小)、高30米的三维数值模型，模拟区域覆盖了30米厚的强风化砂岩围岩。隧道支护方案采用初期支护与系统锚杆相结合：初支为10厘米厚的C20喷射混凝土层；锚杆选用C22钢筋，长4.5米(其中深入岩体有效锚固段约4.4米)，以间距2米呈梅花型布置于拱顶及侧壁。在数值分析中，强风化砂岩围岩采用能反映其剪切破坏特性的摩尔–库伦本构模型进行模拟；考虑到衬砌(喷射混凝土)材料强度较高且预期破坏风险较低，采用线弹性模型简化处理；锚杆则通过植入式桁架模型来模拟其对围岩的加固作用。研究采用全断面一次开挖的方式进行施工过程模拟。全断面开挖方法三维计算模型如图2所示。
Figure 2. Full-face excavation method model diagram
图2. 全断面开挖方法模型图
3.2. 模拟工况及参数选取
为了确定合理的循环进尺方案，本研究基于地质勘查及岩土试验数据见表1，通过数值模拟方法对Ⅴ级围岩条件下的隧道开挖过程进行了系统分析。根据工程经验，V级围岩的循环进尺通常控制在1~2 m范围内[7]，研究采用全断面开挖法，针对4种不同循环进尺工况(见表2)了多工况模拟计算。
Table 1. Model material parameters
表1. 模型材料参数
材料类型 |
密度/(kg·m−3) |
弹性模量/GPa |
泊松比 |
粘聚力/kPa |
内摩擦角/(˚) |
强风化砂岩 |
2050 |
0.12 |
0.24 |
50 |
29 |
C20喷射混凝土 |
2400 |
25.5 |
0.2 |
|
|
支护锚杆 |
7850 |
206 |
0.24 |
|
|
Table 2. Numerical simulation condition
表2. 数值模拟工况
开挖方法 |
循环进尺/m |
全断面法 |
1 |
全断面法 |
1.5 |
全断面法 |
2 |
全断面法 |
2.5 |
4. 结果与分析
4.1. 围岩竖向位移分析
图3为全断面法1.0、1.5、2和2.5 m循环进尺长度引起的围岩竖向位移变化云图。通过对全断面法不同循环进尺长度的对比分析发现，当进尺长度为1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m时，对应的拱顶沉降值分别为6.1 mm、6.45 mm、6.7 mm和6.83 mm，呈现出随着进尺长度增加而沉降值逐渐增大的趋势。虽然四种进尺方案均能满足隧道开挖的稳定性要求，但从控制围岩变形的角度来看，1.0 m进尺长度下的拱顶沉降值最小，仅为6.1 mm，明显优于其他三种方案。这表明较短的循环进尺能更有效地控制围岩扰动，减少地层变形，因此在工程实践中，1.0 m进尺长度是最优选择，能够在确保施工安全的同时最大限度地降低拱顶沉降风险。
(a) 1 m (b) 2 m
(c) 3 m (d) 4 m
Figure 3. Vertical displacement field contour map of surrounding rock
图3. 围岩竖向位移场云图
4.2. 围岩水平位移分析
图4为全断面法1.0、1.5、2和2.5 m循环进尺长度引起的围岩水平位移变化云图。在全断面法施工过程中，通过对四种不同循环进尺长度(1.0 m, 1.5 m, 2.0 m, 2.5 m)的对比分析发现，围岩水平位移的变化趋势基本保持一致，表明进尺长度的变化并未显著改变围岩变形的总体规律。然而，水平净空收敛值的实测数据却呈现出明显的差异性，其中1.0 m进尺条件下的收敛值最小，仅为6.14 mm，而随着进尺长度的增加，收敛值逐渐增大，至2.5 m进尺时达到最大值6.94 mm，增幅达到13%。这一结果表明，较短的循环进尺能够更有效地控制围岩变形，尤其是1.0 m进尺在四种方案中表现最为突出。因此，从控制水平净空收敛的角度出发，全断面法采用1 m循环进尺的施工方案效果最佳，既能保证施工效率，又能有效抑制围岩变形，具有显著的工程应用价值。
(a) 1 m (b) 2 m
(c) 3 m (d) 4 m
Figure 4. Horizontal displacement field contour map of surrounding rock
图4. 围岩水平位移场云图
4.3. 结构支护内力分析
图5为全断面法1.0、1.5、2和2.5 m循环进尺长度引起的支护结构内力变化云图。
(a) 1 m (b) 2 m
(c) 3 m (d) 4 m
Figure 5. Internal force variation contour map of supporting structure
图5. 支护结构内力变化云图
随着隧道施工中循环进尺长度的增加，支护结构的内力分布呈现出明显的恶化趋势，其中轴向应力和弯矩的变化尤为显著。研究表明，当进尺从1米增加到1.5米时，锚杆轴向应力上升至原来的1.2倍，而弯矩则大幅下降了72.7%；然而继续增大进尺至2米时，轴向应力急剧攀升至1.5米工况的2.1倍，弯矩也反弹增加了1.3倍；最值得注意的是，当进尺达到2.5米时，轴向应力骤增至2米工况的3.4倍，弯矩更是激增了4.4%。这些数据清晰地表明，虽然1.5米进尺时支护结构内力相对较小，但过大的进尺长度(如2.5米)会严重恶化支护结构的受力状态，导致轴向应力和弯矩呈非线性增长，因此在实际工程中应避免采用过大的循环进尺长度，1.5米可能是一个较为合理的平衡点。
4.4. 围岩塑性区分析
图6为全断面法1.0、1.5、2和2.5 m循环进尺长度引起的围岩塑性区分布云图。从图6塑性区分布可知，在1 m、1.5 m和2 m三种循环进尺条件下，围岩塑性区均呈现出良好的分布特征，未出现连贯成环的现象，这表明围岩整体稳定性较高，发生坍塌的风险较小。从净空收敛的角度来看，四种不同进尺条件下的收敛位移差异并不显著，但其中1 m进尺最能满足开挖稳定性的要求。而在支护结构内力方面，1.5 m进尺表现出最优的内力分布特性，对支护结构最为有利。综合开挖效率与稳定性的平衡考虑，采用全断面法配合1.5 m循环进尺是最优的施工工法选择，既能保证施工进度，又能有效控制围岩变形和支护结构受力，实现安全与效率的双重目标。
(a) 1 m (b) 2 m
(c) 3 m (d) 4 m
Figure 6. Plastic zone distribution contour map of surrounding rock
图6. 围岩塑性区分布云图
5. 结论与展望
5.1. 结论
通过对围岩竖向位移、隧道净空收敛、支护结构内力以及围岩塑性区等关键指标的综合分析，可以从不同方面评估不同循环进尺对隧道开挖稳定性的影响。研究表明，1 m的循环进尺在控制围岩竖向位移和净空收敛方面表现最佳，能够更好地满足围岩稳定性的要求；而1.5 m的循环进尺则在支护结构内力分布上更具优势，其应力状态更为合理，同时在经济性方面也显著优于1 m进尺，能够降低施工成本并提高作业效率。综合考虑围岩稳定性、支护结构受力性能以及经济性等因素，采用全断面法施工时，最优循环进尺应选择1.5 m，这一方案不仅能够保证开挖过程中的围岩稳定，还能实现经济效益与工程质量的平衡，是较为理想的施工参数选择。
5.2. 展望
尽管本文通过数值模拟确定了合理循环进尺，但仍存在以下局限性，需在未来研究中进一步完善：
1) 本文围岩采用摩尔–库伦本构模型，未考虑岩体的应变软化、黏弹塑性及anisotropy (各向异性)。未来可采用更精确的本构模型(如弹塑性损伤模型、黏弹塑性模型)，更真实反映Ⅴ级围岩及支护结构的复杂力学行为。
2) 研究未考虑地下水对围岩的软化作用(工程区泥岩、页岩遇水易崩解)，而渗透压力会显著改变围岩有效应力状态。未来需开展渗流–应力–损伤耦合数值模拟，分析地下水对循环进尺选择的影响，尤其是富水地层中的进尺优化。