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软岩隧道施工中超挖问题的处理探究

文档作者：张小明，陈寿根，霍晓龙文档来源：西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室		点击数：	更新时间： 2025年11月15日
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88
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2013年1月上
第42卷第1期
软岩隧道施工中超挖问题的处理探究木
张小明，陈寿根，霍晓龙
(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川I 成都610031)
[摘要]软岩隧道具有变形大和稳定性差等特点，超挖时必须采取适当的处理措施。应用FLAC”分析软件对软岩
隧道的施工过程进行了模拟，探讨了超挖未回填、未超欠挖、超挖时采用土石碴回填以及超挖时采用C40混凝土回
填等工况对隧道稳定性的影响。分析结果表明，隧道开挖时严格控制超挖、超挖时采用强度较高材料密实回填对
隧道稳定极其重要。
【关键词]隧道工程；软岩隧道；超挖；数值模拟；围岩；塑性区
[中图分类号]TU74；U455 [文献标识码]A [文章编号]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引起超挖的原因及处理现状
1．1超挖原因
1)由于设计规范要求不允许欠挖，如果隧道存
在欠挖的话，首先的问题就是初期支护无法按照设
计要求安装，预留变形量也无法满足要求，要完全
控制好断面轮廓的开挖是不可能的，所以超挖就成
为了普遍现象。
2)目前仍主要采用矿山法施工，相对于掘进机
或其他方法成本低，而且工序相对简单和适用性
广，但是矿山法是以钻爆为手段，钻孔的精度、深
度，掌子面的钻孔布置，爆破的炸药量、复杂地质的
爆炸机理等都难以准确把握。
3)在围岩条件较差即受地质构造影响严重、节
理发育、岩体不完整且有软弱夹层地段，为了满足
支护要求超挖较大，由于塌方等原因，可能造成局
部大量超挖。
+中央高校基本科研业务专项基金资助(SWJTUllZT33)
[作者简介】张小明，硕士研究生，E-mail：nostzxm@163．COYII
[收稿日期】2011-10-28；[修订日期]2012-08-24
4)人为的测量误差、隧道施工中趋于保守的预
留变形量以及施工误差。
另外，超挖也受隧道埋深和施工方法以及断面
形状等影响。但从超挖的本质看，由于开挖出现临
空面，当关键块体优势面的抗剪强度小于其下滑力
时，关键块体就会塌滑或塌落，形成超挖。
1．2处理现状
规范明确要求超挖部分必须回填密实，但实际
施工中，由于对施工质量监管力度不够，施工方对
超挖不够重视，或一味地追赶工期等，超挖时只用
混凝土简单压注，不注重压注效果，甚至不加处理
或简单回填砂土碎石。
鉴于以上原因，本文通过模拟分析，把超挖的
各种处理方法的效果以量的形式进行表达。
2数值模拟分析
2．1计算模型
2．1．1基本假设
假设如下：①围岩材料采用莫尔．库伦准则、大
应变变形模型计算；②地表和各土层均成层均质水
万方数据
2013 No．1 张小明等：软岩隧道施工中超挖问题的处理探究
平分布；③地层和材料的应力应变均在弹塑性范围
内变化，地应力场由垂直的重力自动生成；④不考
虑地下水在隧道开挖和支护过程中的影响；⑤由于
模型取的纵向长度不大，根据新奥法原则和一般的
隧道施工经验，分析计算时的支护结构只采用初期
支护。
2．1．2计算模型及边界条件
当围岩距隧道洞身为洞径的3—5倍时，其受隧
道开挖的影响可忽略不计，近似为原始应力状态，
设定隧道埋深为600m，因此，模型尺寸设计为沿隧
道纵向64m，横向120m，竖向100m。计算模型的网
格划分和支护结构模型如图1所示，共有60 032个
单元。64 220个节点。模型采用位移边界条件，侧面
限制水平位移，顶部和底面则限制竖向位移。
一矽
图1计鼻模型和支护结构
Fig．1 Calculation model and the support structure
2．1．3 工况模拟
根据经验，隧道超挖的数据统计显示Ⅳ级围岩
的隧道平均超挖量为9．42cm，与本文所模拟的超挖
量平均值近似。为了充分考虑回填效果及回填材
料强度的不同对围岩及隧道结构稳定性的影响，模
拟时采用了4种工况进行分析，分别为：①工况1
无回填；②工况2无超欠挖；③工况3 砂土碴回
填；④工况4 C40混凝土回填。
2．1．4计算参数取值
模拟过程中，材料的物理力学参数如表1，2所示。
2．2计算结果分析
计算时，对隧道中间断面的拱顶和两拱腰处的
围岩和初支上的特征点进行位移监测，且随着开挖
步进行，分析时每施工步开挖4m，记录了位移随开
挖步变化的12组数据，拱顶特征点布置如图2
所示。
图2拱顶特征点布置
Fig．2 Feature points layout of vault
2．2．1各工况下围岩位移
不同工况下的拱顶位移沉降、两帮水平位移的
相对位移变化曲线(两帮水平位移的相对收敛变化
值为隧道左拱腰监测点的水平位移减去右拱腰监
测点的水平位移)如图3，4所示。
鼻!罩-j-rmil喁／m一
32—24一16、‰ol 8 16 24 3
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饕⋯墓器：-鬻120 ＼＼ ～＼、
图3围岩拱顶沉降曲线
Fig．3 Subsidence curve of surrounding rocks vault
图3的分析结果显示，随着开挖的推进，当掌子
面距监测断面12m时，监测面沉降位移开始显著变
化。开挖到监测面时，除了工况1的沉降量稍大外，
表1模型参数
Table 1 Parameters of model
材料黼} 紫要积有效嬲长度抗器度篙戛嚣鼋警浆嚣箍麓P。嚣黑警掣
锚杆45．0×104 1．57 x10～ 3，0
万方数据
施工技术第42卷
图4 围岩拱腰处的水平相对位移曲线
Fig．4 Relative displacement curve of
surrounding rocks hance
其他几种工况围岩拱顶的沉降值大小相当，数据表
明，此时工况1的拱顶沉降约占总沉降的43．3％，
工况2，3，4分别约为占68．4％，60．4％，70．3％。
在相对水平位移方面，如图4所示，开挖到监测
面时，工况1，2，3，4水平相对位移所占的比值分别
为21．2％，45．5％，33．2％，47．0％。
两图均显示出完成监测面的开挖后，相对其他
工况变形逐渐趋于稳定，工况1短期内尚无收敛趋
势。可见工况1的围岩仍有较大变形的需要，并引
发松动圈的扩大；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
回填但强于土石碴回填。
2．2．2 支护结构的位移分析
支护拱顶的沉降曲线如图5所示。由图5可以
看出，工况1拱顶位移为正，说明超挖未回填时，由
于支护背后存在空洞，同时底鼓引起支护底部的向
上移动，从而引起监测点向上移动，之后由于围岩
沉降量的扩大和底鼓变形趋于稳定，拱顶位移也将
逐渐收敛；其他几种工况下，因为已经做了回填处理，
拱顶位移变形趋势相当，都是开始沉降急增，然后步
入稳定变形区，工况4的沉降最小，工况3最大。
E
E＼
篷
避
肾
嗣；
图5支护拱顶的沉降曲线
Fig．5 Subsidence curve of the support vault
支护拱腰的水平相对位移曲线如图6所示。由
图6可以看出，支护后工况4收敛较快，而工况2，3
在计算完成时也逐渐表现出收敛趋势，且从趋势图
可以看出，工况2的收敛值将小于工况3而大于工
况4；由于工况1超挖未回填，支护后受底鼓的影
响，开始时有向围岩方向的位移，但是再向前开挖
8m之后，围岩压挤过来，初期支护的水平相对位移
变大，可以看出，在最终计算完成之后，其水平相对
收敛曲线还没有收敛趋势，这种情况围岩最不稳定。
E
E＼
稳
遥
靛
罂
*
长
80
图6支护拱腰的水平相对位移曲线
Fig．6 Both side relative displacement
curve of the support
2．2．3 隧道纵向的相对位移分析
围岩与初期支护间的特征点沿隧道纵向的相
对位移(这个差值为围岩监测点的纵向位移减去初
期支护监测点的纵向位移)曲线如图7，8所示。
图7隧道拱腰处轴向的相对位移曲线
Fig．7 Axial relative displacement
curve of the tunnel arch
距掌子面距离，m
g
E＼
鞑毯
搀
窭
．}
蘸
图8隧道拱顶处纵向的相对位移曲线
Fig．8 Axial relative displacement curve
of the tunnel tunnel vault
由图7可知，纵向的相对位移均为负，说明围岩
相对初期支护向反开挖方向纵向位移大。工况1，
2，3，4最大相对位移的数值依次为一48．6，一16．1，
一34．7，一20．5mm。从趋势图可以看出，工况2，4
的轴向相对位移在支护之后马上收敛，工况3收敛
趋势要慢一些，工况1收敛最慢。图8中，工况1，
2，3，4的最大数值依次为一23．9，一1．3，一16．6，
一6．1mm，曲线趋势同图7相当。
综合以上两图可知，短期内超挖未回填的围岩
万方数据
张小明等：软岩隧道施工中超挖问题的处理探究91
沿反开挖方向的变形得不到有效控制，工况3虽然
回填，但是土石碴为塑性材料，强度小，抵抗剪切变
形能力弱，难以阻止其相对变形，所以围岩不仅沉
降而且沿纵向进一步挤压已支护区的围岩，围岩受
力变得复杂，同时，工况1，3的相对变形量远大于工
况2，4，这是在岩土中导致初期支护开裂的主要原
因之一，降低了初期支护的可靠度；而工况2，4有效
阻止了围岩轴向变形，围岩的稳定性能够通过监控
量测有效地反映出来。
2．2．4塑性区的分布情况
围岩的塑性区分布如图9所示。由图9可知，
塑性区按工况1，3，2，4的顺序依次减小。工况1的
塑性区似X形，大部分以张拉破坏为主，围岩沿隧
道净空方向的松动难以得到有效限制；工况3隧道
拱腰及以下大部围岩以张拉破坏为主，拱顶大部为
剪切破坏；工况2则主要以张拉破坏为主，拱顶局部
为剪切破坏；工况4的围岩主要为剪切破坏，拱腰及
拱底大部近隧道轮廓为张拉破坏。
a工况1
c工况3 d工况4
图9围岩的塑性区分布
Fig．9 Plastic zone of the surrounding rocks
2．2．5锚杆单元的受力分析(见图10)
一⋯％≤ 幺
a工况l
斗j j}7／／ 、／
b工况2
、{}f，’
c工况3 d工况4
图10锚杆平均轴向应力
Fig．10 Average axial force of the cables
由图10可知，工况l的锚杆全部受拉，越靠近
初支轮廓面受拉幅度越大，且两腰大于拱顶；工况
2，3的两腰锚杆受拉，拱顶锚杆局部受压；工况4的
两腰锚杆受拉，拱顶及拱腰上部受压。工况1，2，3，
4的最大应力数值分别为127．1，57．81，65．19，
23．86MPa。结合围岩的塑性区分布可以看出，由于
对超挖未处理，工况l的围岩主要为拉应力集中区，
围岩松动广，锚杆受拉力度也最大；工况2，3，4隧道
拱腰附近的围岩也为张拉破坏区，所以锚杆也受
拉，但从拱顶的锚杆受力可以看出，由于工况4的回
填材料整体硬度大于其他2种，限制了围岩的变形，
所以锚杆受压较多，压应力值也大。
3结语‘
1)超挖未回填情况下的围岩变形最大，开挖到
监测面时变形所占总变形量的百分比小，开挖后仍
有很大的变形余地，而土石碴回填限制围岩变形能
力小，不及C40混凝土回填，未超欠挖的情况对围
岩位移的限制不及C40混凝土回填，但相差不多。
2)超挖未回填工况下的支护变形不能准确反
应围岩的变形，从而对于围岩的变形实时监测十分
困难，而C40混凝土回填对于保护支护结构并和支
护结构一起承载的效果最好。
3)隧道纵向位移方面，围岩受到开挖扰动小的
情况下纵向位移小；而对于超挖时，未回填最不利，
土石碴回填其拱腰的轴向位移相对于来回填降低
了近30％，C40混凝土回填能立即限制围岩和支护
之间的轴向相对位移，提高支护结构的稳定性。
另外，塑性区的分布和锚杆的受力也显示，超
挖未回填情况下围岩稳定性最差；对于回填材料，
C40混凝土回填比土石碴回填要好。
综上所述，隧道开挖时应尽量控制超挖现象，
这样不仅经济效益最好，而且能保证围岩的稳定性
和提高围岩的自支护能力；而对于隧道超挖，则必
须回填，而且回填材料强度应该较高且密实。
参考文献：
[1] 关宝树．隧道工程施工要点集(2版)[M]．北京：人民交通
出版社，2011．
[2] 王水善．浅谈隧道施工中超欠挖问题[J]．西部探矿工程，
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[3] 魏继红，孙少锐，彭建忠，等．高速公路连拱隧道超挖预测及
评价研究[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(s1)：
3324-3329．
[4]关宝树，赵勇．软弱围岩隧道施工技术[M]．北京：人民交通
出版社，2011．
【5] 周泽林，陈寿根，段运启．唐家山隧道围岩变形规律探讨【J]．
施工技术，2011，40(20)：50-52．
[6] 杨会军，王梦恕．隧道围岩变形影响因素分析[J]．铁道学
报。2006，28(3)：92-96．

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