穿越滇中紅層軟弱圍巖隧洞開挖工法比選分析

針對滇中紅層軟弱破碎圍巖開挖后易失穩(wěn)的問題，以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞為工程依托，開展兩臺階、三臺階及CD法開挖下圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算，通過對比不同開挖工法下圍巖變形、支護結(jié)構(gòu)及錨桿應(yīng)力狀態(tài)探討滇中紅層軟弱破碎圍巖隧洞適宜開挖工法。結(jié)果表明：（1）開挖后洞周圍巖變形呈現(xiàn)兩臺階＞三臺階＞CD法的規(guī)律，且CD法由于非對稱開挖擾動影響，左側(cè)水平位移顯著小于右側(cè)；（2）三臺階開挖圍巖應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)于兩臺階、CD法，兩臺階在拱頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，CD法在臨時支撐處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；（3）兩臺階、三臺階開挖下錨桿應(yīng)力均顯著小于CD法開挖下錨桿應(yīng)力，主要原因是CD法右側(cè)開挖面積較大導(dǎo)致左側(cè)錨桿拉應(yīng)力急劇加大。綜合考慮CD法開挖時局部錨桿應(yīng)力過大而存在破斷潛在風(fēng)險，結(jié)合三臺階開挖應(yīng)力狀態(tài)、位移相較于二臺階更優(yōu)，判定滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞軟弱圍巖開挖宜采用三臺階法開挖。

隧洞; 軟弱圍巖; 開挖; 三臺階法

U445.49B

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-07

［作者簡介］楊磊（1987—），男，本科，工程師，主要研究方向為隧道與地下工程。

0" 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的交通、水工隧洞越發(fā)常見，由此帶來的隧洞施工建設(shè)安全性、穩(wěn)定性問題突出［1-2］，尤其是滇中引水工程系列長距離穿越滇中紅層軟弱復(fù)雜地層水工隧洞建設(shè)，對隧洞開挖穩(wěn)定性和施工安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3-4］。

對于滇中紅層軟弱復(fù)雜地層隧洞的穩(wěn)定性，已有部分學(xué)者開展研究，趙利奎等［5］基于數(shù)值仿真方法分析了滇中紅層深埋軟巖隧洞在不同圍巖級別下的合理支護措施研究；何盛等［6］針對滇中紅層軟巖的工程地質(zhì)特性開展研究，提出滇中紅層工程地質(zhì)問題主要為軟巖大變形及圍巖失穩(wěn)問題；徐前衛(wèi)等［7］基于現(xiàn)場調(diào)研和監(jiān)控量測，分析了南華一號隧洞穿越滇中紅層軟弱圍巖時發(fā)生局部失穩(wěn)和大變形斷面的變形和應(yīng)力特征；楊意［8］以楚雄段隧洞為依托，開展滇中紅層軟巖大變形隧洞支護體系關(guān)鍵技術(shù)研究?；谏鲜鲅芯?，滇中紅層圍巖軟弱破碎、地質(zhì)條件復(fù)雜，由此帶來的圍巖失穩(wěn)及軟巖大變形風(fēng)險大，選擇適用于滇中紅層的開挖工法以確保隧洞施工安全極為關(guān)鍵。

對于軟巖大變形開挖工法，任育珍等［9］基于軟弱圍巖隧洞變形特征分析，提出采用臺階法等分部開挖工法可減小掌子面前方圍巖影響范圍及變形；管新邦［10］基于數(shù)值模擬方法分析了隔壁法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和臺階法對圍巖穩(wěn)定性的影響；季毛偉等［11］以張石高速JK-2合同段岔道2#雙連拱隧洞工程為依托，采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，針對淺埋、偏壓連拱隧洞施工提出優(yōu)化建議?？v覽上述研究，目前軟弱圍巖開挖工法多采用以兩臺階、三臺階、CD法為代表的分部開挖方法，其核心思路在于控制軟弱圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，相應(yīng)研究方法則通常采用數(shù)值模擬仿真與現(xiàn)場實測驗證相結(jié)合。

綜上所述，以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞為依托，開展滇中紅層軟弱圍巖隧洞開挖施工方法的合理性必選研究，通過開展多種開挖工法下5#支洞開挖數(shù)值模擬仿真計算，探究隧洞不同開挖施工工法對隧洞圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性的影響，并進一步通過現(xiàn)場實測圍巖變形驗證隧洞施工的穩(wěn)定性。

1" 依托工程概況

滇中引水工程楚雄總干渠基本處于受水區(qū)中部，線路全長為142.816 km，總體走向近東西向，設(shè)計流量120～100 m3/s，包括隧洞9條，總長129.915 km，占全長90.97%。其中楚雄段施工4標(biāo)工程為大轉(zhuǎn)彎隧洞中間段，起訖里程CX54+445.817～CX75+208.817，全長20 763 m，該標(biāo)段工程平面布置如圖1所示。

大轉(zhuǎn)彎隧洞隧址區(qū)圍巖以Ⅳ、Ⅴ級軟弱破碎圍巖為主，占比達80.26%，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉質(zhì)泥沙巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎屑夾碎塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定差，施工存在較高坍塌風(fēng)險和軟巖大變形。此外，隧洞穿越37條斷層及破碎帶，穿越的斷層帶及影響帶累計長度約2.531 km，約占大轉(zhuǎn)彎隧洞總長的10.3%。總體而言，滇中引水工程楚雄段大轉(zhuǎn)彎隧洞圍巖軟弱破碎、地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)洞段施工難度大、安全風(fēng)險高，開挖時存在較高坍塌風(fēng)險和軟巖大變形。

2" 計算模型及工況設(shè)置

以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞為依托，開展不同開挖工法的數(shù)值仿真計算，依據(jù)V級圍巖地質(zhì)條件下常見施工工法，選擇兩臺階法、三臺階預(yù)留核心土法及CD法進行對比分析。

2.1" 計算模型建立

為減少“邊界效應(yīng)”的影響，數(shù)值模型的邊界應(yīng)至少取在距隧洞中心3～5倍洞徑處。故數(shù)值模型水平方向（X方向）上，模型左右邊界距隧洞外側(cè)40余m，共計長100 m；豎直方向（Z方向）上，頂部邊界取在隧洞頂部以上約50 m處，其中強風(fēng)化泥巖20 m，中風(fēng)化泥巖18 m，其余均為弱風(fēng)化泥巖；底部邊界取在隧洞仰拱以下約40 m處；隧洞縱向（Y方向）取為70 m。模型豎向地層示意如圖2所示，對應(yīng)建立數(shù)值模型如圖3所示。

巖土工程與地下工程楊磊， 石宇雷， 曾哲哨， 等： 穿越滇中紅層軟弱圍巖隧洞開挖工法比選分析——以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞為例

所建立的數(shù)值模型前、后、左、右及下邊界施加法向位移約束，地層采用服從Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬，初期支護及二次襯砌均采用實體單元進行模擬，錨桿采用Cable單元進行模擬（圖3）。

2.2" 支護設(shè)計及計算參數(shù)取值

各施工工法初期支護采用同種支護設(shè)計，如表1所示。初期支護中拱架和噴射混凝土采用等效剛度法模擬，將代表相應(yīng)剛度折算后的彈性模量賦予實體單元，拱架間距取值同錨固系統(tǒng)縱向間距，數(shù)值模型的隧洞細部如圖4所示。

根據(jù)前述隧洞支護設(shè)計及參數(shù)取值方法，結(jié)合JTG/TD 70-2010《公路隧道設(shè)計細則》，選取圍巖及支護材料計算參數(shù)分別如表2所示。

2.3" 施工工法方案及工序設(shè)置

各施工工法開挖進尺統(tǒng)一設(shè)定為0.7 m，各施工方案及開挖工序設(shè)置如下：

（1） 兩臺階法：上臺階開挖，臺階高度7.2 m—施作上臺階初期支護（即噴射混凝土、拱架、錨桿，下同）—施作鎖腳錨桿—下臺階開挖，臺階高度3.71 m—施作下臺階初期支護。

（2） 三臺階施工工序：上臺階開挖，臺階高度5.06 m—施作上臺階初期支護—預(yù)留核心土開挖—施作鎖腳錨桿—中臺階開挖，臺階高度2.04 m—施作中臺階初期支護—施作鎖腳錨桿—下臺階開挖，臺階高度3.71 m—施作下臺階初期支護。

（3） CD法：左部上臺階開挖，臺階高度5.06 m—施作左部上臺階初期支護和臨時支護（臨時中隔壁）—施作鎖腳錨

桿—左部下臺階開挖，臺階高度5.85 m—施作初期支護和臨時支護—施作鎖腳錨桿—右部上臺階開挖—施作初期支護—施作鎖腳錨桿—右部下臺階開挖—施作初期支護—拆除中隔壁。

3" 開挖施工模擬計算

3.1" 開挖變形及結(jié)構(gòu)安全性分析

考慮到各開挖工法計算結(jié)果呈現(xiàn)近似的分布規(guī)律，故以兩臺階為例分析開挖后隧洞變形及支護結(jié)構(gòu)安全性。獲取兩臺階開挖時的豎向、水平位移計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圍巖最大沉降、最大隆起分別出現(xiàn)在拱頂、拱底，量值分別為4.39 cm、4.61 cm，隆起相較于沉降稍大，施工時應(yīng)當(dāng)注意及時支護、及時施作仰拱；最大水平位移位于拱腰，分別為左側(cè)4.56 cm，右側(cè)-4.55 cm，表明隧洞開挖后水平方向產(chǎn)生向洞內(nèi)的收斂變形，隧洞斷面尺寸減小。

進一步獲取兩臺階開挖時的最大、最小主應(yīng)力如圖7、圖8所示。

初期支護拉應(yīng)力最大值發(fā)生在拱頂位置，其量值為1.71 MPa，較C20混凝土拉應(yīng)力極限強度規(guī)定值稍大，考慮初期支護中拱架和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合作用，判定初期支護尚處于安全狀態(tài)；壓應(yīng)力最大值發(fā)生在拱架，其量值為14.71 MPa，小于C20混凝土壓應(yīng)力極限強度，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

進一步分析錨桿應(yīng)力（圖9），呈現(xiàn)拱腰附近大、拱肩和拱腳較小的規(guī)律，其中錨桿最大拉應(yīng)力為42.49 MPa，出現(xiàn)在拱腰位置處。分析其原因，圍巖拱腰附近水平收斂較大，大位移變化導(dǎo)致錨桿承擔(dān)更大的拉力。

3.2" 各工法計算結(jié)果對比分析

匯總不同工法下隧洞圍巖變形計算結(jié)果如圖10所示。

對于豎向位移，隧洞隆起量、沉降量均呈現(xiàn)兩臺階＞三臺階＞CD法的規(guī)律；對于水平位移，兩臺階、三臺階開挖時左側(cè)水平位移與右側(cè)位移數(shù)值相近，且兩臺階水平位移量值相較于三臺階更大；而CD法左側(cè)水平位移顯著小于右側(cè)，究其原因，是CD法非對稱開挖過程中左側(cè)開挖面積小于右側(cè)，開挖過程中右側(cè)更大的擾動導(dǎo)致右側(cè)水平位移更大。

匯總不同工法下隧洞初期支護應(yīng)力及錨桿應(yīng)力計算結(jié)果如圖11、圖12所示。

三臺階開挖應(yīng)力狀態(tài)明顯好于兩臺階和CD法，兩臺階在拱頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，CD法由于在臨時支撐處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩者拉應(yīng)力數(shù)值超過規(guī)定值，但考慮初期支護中鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合作用，判定其仍處安全狀態(tài)。綜合上述分析，判定各開挖工法下初期支護均處安全狀態(tài)。進一步分析錨桿應(yīng)力，兩臺階、三臺階開挖下錨桿應(yīng)力在量值上差異較小，分別為42.49 MPa、60.33 MPa，均顯著小于CD法開挖下錨桿應(yīng)力（315.00 MPa），究其原因，主要是CD法右側(cè)開挖面積較大，導(dǎo)致左側(cè)錨桿承受的拉應(yīng)力急劇加大。

綜合上述分析，首先考慮到CD法開挖時局部錨桿應(yīng)力顯著增大而存在破斷的潛在風(fēng)險，結(jié)合三臺階開挖應(yīng)力狀態(tài)、位移相較于二臺階更優(yōu)，判定滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞軟弱圍巖開挖宜采用三臺階法。

4" 三臺階開挖變形監(jiān)測分析

為進一步獲取5#支洞三臺階開挖后圍巖變形及穩(wěn)定性，于CX67+450斷面布置如圖13所示的拱頂下沉及凈空收斂測點，并獲取監(jiān)測斷面變形曲線如圖14所示。

總體而言，拱頂沉降變形和洞周收斂變形均呈現(xiàn)隨時間而持續(xù)增長，直至隧洞支護閉合而穩(wěn)定的趨勢，其中最大變形為拱頂沉降，量值為26.7 mm。進一步分析開挖斷面拱頂沉降變化規(guī)律，可知拱頂沉降在斷面開挖后3 d內(nèi)迅速增長，3～8 d內(nèi)變形相對穩(wěn)定，直至8 d后變形再度大幅上升至26.7 mm后趨于穩(wěn)定。分析上述沉降變化規(guī)律，結(jié)合開挖進尺（0.7 m）分析，可認為斷面上臺階開挖后圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，拱頂沉降迅速增長，而后隨施工進程逐漸區(qū)域穩(wěn)定，直至下臺階大面積開挖后，對洞周圍巖的擾動達到峰值，導(dǎo)致拱頂承載出現(xiàn)明顯突增，而后隨下臺階初支施工，洞周支護閉合成環(huán)，最終拱頂沉降穩(wěn)定在26.7 mm。

進一步對比上中臺階交界處收斂變形、中下臺階交界處收斂變形量值，分別為22.5 mm、16.3 mm，顯示上中臺階交界處收斂變形較大，分析其原因，主要是該位置圍巖收到中臺階、下臺階開挖擾動的共同影響，導(dǎo)致變形量值相對僅受一次擾動的中下臺階交界處更大。

綜合上述分析，可知洞內(nèi)拱頂下沉及收斂變形在上臺階、下臺階開挖擾動后增長較急劇，其原因主要是圍巖較軟弱破碎，受開挖影響擾動影響較大，導(dǎo)致開挖后初期變形較急劇，施工中應(yīng)特別關(guān)注上臺階開挖后、下臺階開挖后初支閉合前這兩個關(guān)鍵節(jié)點的圍巖-支護體系整體受力變形情況，重點監(jiān)測拱頂沉降變形及上中臺階交界處收斂變形，并采取措施：①嚴(yán)格控制掌子面開挖進尺，及時完成支護，必要時加強支護措施；②加強鋼拱架連接質(zhì)量，嚴(yán)禁鋼拱架長時間懸空、裸露；③變形嚴(yán)重部位（尤其是上中臺階交界處）及時增打鎖腳錨桿予以加固；④底板墊層及時跟進，及早封閉成環(huán)。

5" 結(jié)論

以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞為依托，開展穿越滇中紅層軟弱破碎圍巖隧洞的適宜開挖工法比選分析，通過開展兩臺階、三臺階及CD法開挖下的數(shù)值仿真計算，獲取隧洞開挖后圍巖變形、支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及錨桿應(yīng)力，得到結(jié)論如下：

（1）隧洞開挖后豎向變形呈現(xiàn)兩臺階大于三臺階大于CD法的規(guī)律；兩臺階、三臺階開挖時左側(cè)水平位移、右側(cè)位移吉間差異較小，而CD法左側(cè)水平位移顯著小于右側(cè)，究其原因，是CD法非對稱開挖過程中左側(cè)開挖面積小于右側(cè)，開挖過程中右側(cè)更大的擾動導(dǎo)致右側(cè)水平位移更大。

（2）三臺階開挖后應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)于兩臺階和CD法，兩臺階在拱頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，CD法由于在臨時支撐處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；兩臺階、三臺階開挖錨桿應(yīng)力在量值上差異較小，分別為42.49 MPa、60.33 MPa，均顯著小于CD法開挖下錨桿應(yīng)力（315.00 MPa），究其原因，主要是CD法右側(cè)開挖面積較大，導(dǎo)致左側(cè)錨桿承受的拉應(yīng)力急劇加大。

（3）考慮CD法開挖時局部錨桿應(yīng)力顯著增大而存在破斷的潛在風(fēng)險，結(jié)合三臺階開挖應(yīng)力狀態(tài)、位移相較于二臺階更優(yōu)，判定滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞5#支洞軟弱圍巖開挖宜采用三臺階法，現(xiàn)場應(yīng)用三臺階開挖后最大變形（拱頂沉降）量值為26.7 mm，變形在洞周支護閉合成環(huán)后趨于穩(wěn)定，揭示三臺階開挖圍巖穩(wěn)定性良好。

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