基于不同開挖步距的隧道機械化施工圍巖穩(wěn)定性分析

摘要：為研究不同開挖步距對隧道機械化施工圍巖穩(wěn)定性的影響，文章利用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，對隧道K12+300～K18+600段不同開挖步距工況進行了模擬。結(jié)果表明：初支最大主應力在邊強與仰拱交界處，初支水平位移主要分布在拱頂和仰拱位置，其位移量為6 mm；二襯最大主應力主要分布于邊墻底部與仰拱交界處，豎向位移場主要集中在拱頂，并且位移場具有明顯的分段性；現(xiàn)場監(jiān)測初支表面的豎直方向應力差值最大為0.5 MPa，二襯結(jié)構(gòu)表面豎直方向應力隨開挖深度變化基本較為平緩，應力大小為0.1 MPa；為了提高施工效率，建議Ⅲ級圍巖施工過程中掌子面距二襯距離≤250 m，Ⅳ級圍巖施工中掌子面距二襯距離≤190 m。研究成果可為隧道機械化施工提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；開挖步距；現(xiàn)場監(jiān)測；圍巖穩(wěn)定；機械化施工

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

隨著城市間交通干線及快速道路數(shù)量的急速擴展，尤其是在隧道大量建設時期，地質(zhì)條件復雜的軟圍巖隧道數(shù)量不斷增加［1-2］。在此類隧道的施工過程中，通常采用鉆爆法施工。然而，傳統(tǒng)的鉆爆法施工（非機械化作業(yè)）存在施工效率低、施工人員多的問題，加上目前隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應力分布和變形條件相對復雜，容易發(fā)生大變形、落石等事故，從而造成人員傷亡。在大斷面隧道機械化開挖過程中，開挖步距是決定大斷面隧道施工進度與控制施工安全的關(guān)鍵性因素，為了保證大斷面隧道機械化施工過程的可靠性和穩(wěn)定性，有必要對大斷面隧道機械化施工過程開挖步距進行深入研究。

近年來，專家學者對隧道機械化施工開展了相關(guān)研究工作。詹勛業(yè)［3］對隧道大型機械化施工圍巖穩(wěn)定性進行了分析，未支護隧道的安全系數(shù)為2.02，簡單初支隧道的安全系數(shù)為2.55，圍巖穩(wěn)定性大幅提高。童建軍等［4］基于極限平衡法推導了3種超前支護措施下的三維掌子面穩(wěn)定系數(shù)計算公式，提出了鄭萬高鐵隧道掌子面超前支護參數(shù)及初期支護參數(shù)，并通過工程應用，進一步證明了該參數(shù)的合理性及實用性。Li等［5］通過對鄭萬高速鐵路某大型機械化隧道圍巖壓力的監(jiān)測，闡明了Ⅳ級、Ⅴ級圍巖條件下深埋隧道機械化施工過程中圍巖壓力的變化規(guī)律和分布特征，解決了Ⅳ級、Ⅴ級軟弱圍巖條件下連續(xù)機械化大斷面施工的難題。

然而，以上成果中，尚未見到施工步距對全斷面隧道機械化施工圍巖穩(wěn)定性的研究。對此本文以湖北麒麟觀隧道K12+300～K18+600段為例，利用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，針對公路隧道Ⅲ級與Ⅳ級圍巖機械化全斷面施工合理步距進行了研究，并與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，提出了適用于現(xiàn)場實際公路隧道機械化全斷面施工安全控制步距，為同類全斷面隧道機械化施工提供了重要參考。

1 工程概況

麒麟觀隧道左右洞均長約3.8 km，采用雙向開挖貫通形式推進，隧道概況說明見表1。擬建隧道穿越仁和坪東西向山脈的南段，地面高程一般510～1 275 m，大致呈兩級臺階狀的單面斜坡。山脈為一系列渾圓狀山丘呈東西向展布，隧道進口為溶蝕作用形成的溶蝕槽谷，出口侵蝕溝槽，進口段至山頂?shù)乇砭雎度B系嘉陵江組灰?guī)r，隧道出口為頁巖。

隧道穿越東西向綿延的山脈，山脊為區(qū)域最高點，以該山脊為界，地表水分別向南北匯流。隧址區(qū)地勢呈明顯單面斜坡，并在770 m與1 060 m高程點附近有兩個相對平緩的溶蝕平臺，地表發(fā)育多條南北向溶蝕槽谷，整個隧址區(qū)地表水均向北徑流匯入南河。隧址區(qū)巖層經(jīng)過了強烈的擠壓，巖體較破碎?？傮w而言，隧址區(qū)揭露地層為波狀單斜地層，巖層產(chǎn)狀為310°～340°，∠12°～70°。

主線隧道穿越地層主要以砂巖、頁巖、灰?guī)r為主。根據(jù)地表水文點觀察，結(jié)合地形地貌，巖性和構(gòu)造條件判斷，隧道上方無大的地表水體，當?shù)厣a(chǎn)用水采用巨形蓄水池蓄存降雨后在旱季使用，大氣降雨多順坡匯流后滲入地下，因此該區(qū)地下水較發(fā)育，隧址區(qū)地下水主要以巖溶水為主，地下水的補給主要靠大氣降雨補給，排泄方式主要為暗河排泄、溶蝕裂隙滲流等。另外隧址區(qū)緩坡地帶坡麓有零星第四系覆蓋層，賦存有第四系松散孔隙水（上層滯水），水量小，由降水補給，季節(jié)性變化明顯，巖體的力學性質(zhì)如表2所示。

根據(jù)隧道地質(zhì)情況，現(xiàn)場采用超前地質(zhì)預報對隧道掌子面進行實時監(jiān)測，在標段內(nèi)每25 m進行一次探測，一次范圍為掌子面前方30 m，前后兩次搭接長度＞5 m。

為了準確反映全斷面開挖施工隧道變形情況，對試驗段開展了水平收斂和拱頂下沉監(jiān)控量測。試驗段內(nèi)隧道變形監(jiān)測沿隧道軸向每4 m或8 m埋設一個斷面，根據(jù)量測成果進行總結(jié)分析和調(diào)整，確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量和安全。如圖1（a）所示，安裝水平收斂斷面測點時，在被測斷面上用風鉆機或沖擊鉆成孔，孔徑為40～80 mm，深度為20 cm，在孔中填塞水泥砂漿后插入收斂預埋件，盡量使兩預埋件軸線在基線方向上，上好保護帽，待砂漿凝固后即可進行監(jiān)測。為了通過拱頂下沉監(jiān)測了解斷面變化情況，判斷拱頂?shù)姆€(wěn)定性，防止塌方，拱頂下沉量測點與周邊位移測點設在同一個斷面，測點布置如圖1（b）所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 方案的建立

計算模型以隧道右線為背景，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，對該隧道試驗段K12+300～K18+600開展三維數(shù)值模擬，針對隧道不同圍巖條件下開挖步距等工況，采用3種不同開挖步距（90 m、190 m、250 m）進行模擬，分析不同步距工況下隧道拱頂及仰拱位移量變化，同時對隧道圍巖、初支和二襯的位移量和應力實時監(jiān)測。為了更好地與實際監(jiān)測相互對比，選取隧道開挖進深0 m、40 m、100 m、150 m、160 m、200 m、220 m、250 m、280 m、300 m處位置分別布置監(jiān)測點分析。

2.2 隧道理論計算模型

隧道開挖和支護工序與現(xiàn)場施工方案一致，采用全斷面開挖。模擬中取隧道洞周圍4倍洞徑左右或大于4倍洞徑范圍的圍巖作為分析對象，考慮對稱性，取隧道的一半進行模擬，計算坐標取水平方向為X軸，Y軸為取為沿隧道軸線方向，Z軸豎直向上為正。單元主要為六節(jié)點四面體單元，根據(jù)現(xiàn)場地應力測試情況及工程經(jīng)驗，取側(cè)壓系數(shù)為0.65，邊界條件為四個側(cè)面及一個底面加法向位移約束，頂面為自由面，模型及網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

模擬中支護結(jié)構(gòu)采用FLAC程序中的cable和liner單元來模擬，系統(tǒng)砂漿錨桿長4 m，間距1.2 m，初期支護噴層厚度20 cm，混凝土強度為C25，二次襯砌為30 cm厚的C30防水混凝土，隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。由于所模擬隧道洞身巖層穿越中風化灰?guī)r地帶，故本構(gòu)模型選取Hoek-Brown屈服準則，該塑性模型能夠較好反映灰?guī)r各向同性性質(zhì)，提供了一種可以解釋不斷變化的失效條件的屈服表示，在高應力狀態(tài)下，模型工作狀態(tài)與巖體開挖卸載過程幾乎相同。隧道支護部分采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，該模型與膠接粒狀混凝土材料特性較為貼合。

3 開挖步距數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 開挖步距對初支受力與變形分析

通過FLAC 3D軟件提取初期支護結(jié)構(gòu)應力場和位移場如圖3所示。圖3（a）為開挖步距90 m下的主應力，初期支護應力最大處在邊墻與仰拱交界處，分析原因可能是初期支護的結(jié)構(gòu)特點，在初期支護結(jié)構(gòu)最下側(cè)表現(xiàn)出了明顯的應力集中現(xiàn)象。圖3（b）顯示了開挖步距190 m下的主應力，隨著開挖步距的增加至190 m，最大主應力處在邊墻與仰拱交界處，相比90 m開挖步距而言，拱頂?shù)膽Τ霈F(xiàn)了明顯的增大。圖3（c）顯示了開挖步距250 m下的最大主應力，對比90 m和190 m開挖步距下的應力，可以看出，除了在拱頂位置處的主應力有一些變化外，應力同樣分布在左右邊墻處，并且最大主應力依舊在邊墻與仰拱交界處。

圖3（d）～（f）顯示了不同開挖步距下的豎向位移變化情況，從位移場的變化來看，初期支護豎向位移場主要集中在拱頂和邊墻以及邊墻與仰拱交界處，并且隨著開挖步距增加到190 m和250 m時，豎向位移并未出現(xiàn)明顯的變化。

綜上所述，各類開挖步距工況下，應力場分布較為類似，無明顯突出性差異變化，拱頂和左右邊墻的圍巖豎向荷載在此區(qū)域累積，造成應力場較大的現(xiàn)象出現(xiàn)。位移場方面，初期支護豎向位移場主要集中在拱頂和邊墻與仰拱交界處，且越靠近開挖掌子面區(qū)域，其豎向位移量越大，位移場云圖越突出集中。

3.2 開挖步距對二襯受力與變形分析

圖4（a）～（c）顯示了不同開挖步距下的主應力情況。由圖可知，最大主應力主要分布于邊墻底部與仰拱交界處，在二次襯砌結(jié)構(gòu)最下側(cè)表現(xiàn)出了明顯的應力集中現(xiàn)象。原因主要是由于全斷面開挖完成初支階段之前，圍巖的主應力得到較大程度的釋放，最大主應力完成了由拱頂豎向應力到邊墻應力的轉(zhuǎn)移。隨著開挖步距的增大，最大主應力的范圍并未出現(xiàn)明顯的變化，依舊主要分布在邊墻底部與仰拱交界處。

圖4（d）～（f）顯示了不同開挖步距下的豎向位移，由圖可知，二次襯砌豎向位移場主要集中在拱頂，拱頂處的豎向位移要明顯大于邊墻底部與仰拱交界處，并且位移場具有明顯的分段性。

綜上所述，二襯結(jié)構(gòu)應力場比初期支護的應力場范圍量值明顯減少，應力主要集中在邊墻底部與仰拱交界處，應力集中現(xiàn)象較為明顯。而位移場具有明顯的分段性，該分段性表現(xiàn)主要和二襯結(jié)構(gòu)階段性支護有關(guān)。

4 試驗段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對初期支護和二襯結(jié)構(gòu)進行數(shù)值監(jiān)測，提取監(jiān)測曲線如圖5所示。在不同開挖工況下（開挖步距90 m和250 m），初支表面的豎直方向應力隨開挖進深呈現(xiàn)應力增長-降低-平緩的趨勢，其應力差值最大為0.5 MPa左右。相對初期支護的受力狀態(tài)，二襯結(jié)構(gòu)表面豎直方向應力隨開挖深度變化基本較為平緩，變化范圍較小，應力大小在0.1 MPa左右，隧道前側(cè)和尾部監(jiān)測點的初支與二襯應力基本相同。從各類開挖工況的位移監(jiān)測曲線來看，襯砌結(jié)構(gòu)位移呈現(xiàn)增長-快速下降-增長的變化趨勢，與應力監(jiān)測曲線變化較為類似，在160 m處監(jiān)測點之前初支和二襯的位移量相差較小，而監(jiān)測點在160 m之后，其位移量迅速降低至3 mm左右，該監(jiān)測點處為最大位移變化，變化差值約3 mm。不同開挖步距情況下，隧道初支與二襯表面豎向位移相差較小，不同測點處的位移值變化相對穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文以某隧道為背景，對試驗段開展了三維數(shù)值模擬的研究，研究了Ⅲ級與Ⅳ級圍巖機械化全斷面施工合理步距，并與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，為隧道安全施工提供了重要依據(jù)。得出以下結(jié)論：

（1）在數(shù)值模擬計算中，在不同開挖步距下，初期支護應力主要分布于左右邊墻的兩側(cè)，應力最大處在邊墻與仰拱交界處。并且隨著開挖步距由90 m增加到190 m，最大主應力依舊主要分布在左右邊墻處。對比不同開挖步距下的初支水平位移可以看出，左右邊墻的水平位移量無變化，位移量基本為零，拱頂和仰拱部分在豎直方向位移增長模式為劇增-平緩增長趨勢，其位移量在6 mm左右。

（2）對比不同開挖步距下的二襯應力及位移變化情況，最大主應力主要分布于邊墻底部與仰拱交界處，在二次襯砌結(jié)構(gòu)最下側(cè)表現(xiàn)出了明顯的應力集中現(xiàn)象。二次襯砌豎向位移場主要集中在拱頂，拱頂處的豎向位移要明顯大于邊墻底部與仰拱交界處，并且位移場具有明顯的分段性。

（3）通過對初期支護和二襯結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場監(jiān)測，初支表面的豎直方向應力隨開挖進深呈現(xiàn)應力增長-降低-平緩的趨勢，其應力差值最大為0.5 MPa左右。二襯結(jié)構(gòu)表面豎直方向應力隨開挖深度變化基本較為平緩，應力大小在0.1 MPa左右。

（4）為滿足施工組織需要，提高機械化作業(yè)施工效率，建議該隧道在Ⅲ級圍巖條件下開挖時，圍巖掌子面距二襯距離≤250 m。Ⅳ級圍巖條件下，建議掌子面距二襯距離≤190 m。試驗段施工的成功為隧道剩余里程的建設打下了基礎(chǔ)并為同類隧道的施工提供了可參考的施工經(jīng)驗。

參考文獻

［1］楊世強.高地應力軟巖隧道變形控制設計與施工技術(shù)研究［J］.運輸經(jīng)理世界，2020，12（18）：64-69.

［2］羅春雨，錢志豪，劉富華，等.基于流固耦合效應的高地應力軟巖大變形隧道開挖穩(wěn)定性分析［J］.施工技術(shù)，2023，24（16）：43-51.

［3］詹勛業(yè).大型機械施工時隧道圍巖穩(wěn)定性分析［J］.橋隧工程，2023，27（5）：127-132.

［4］童建軍，劉大剛，張 霄，等.大斷面隧道機械化施工支護結(jié)構(gòu)設計方法：以鄭萬高鐵湖北段隧道為例［J］.隧道建設（中英文），2021，41（1）：20-27.

［5］Li Yu，Nie Yang.Study of Measurement and Distribution Characteristics of Surrounding Rock Stress of Large Cross-sectional High-speed Railway Tunnel with Mechanized Construction［J］.Tunnel Construction，2020，38（8）：1 303-1 310.

收稿日期：2024-03-03

作者簡介：覃 彬（1984—），工程師，研究方向：橋梁隧道監(jiān)管。