環(huán)形開挖預(yù)留核心土法隧道掌子面穩(wěn)定性分析

摘要 文章針對穿越Ⅴ級圍巖（強～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）的小凈距隧道，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進行施工。為了保證隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性，需要采用5.5 m的長錨管進行加固。為了方便長錨管的施工，通過調(diào)整核心土面積并對隧道掌子面的穩(wěn)定性進行了分析。通過建立三維有限元模型，模擬不同施工工況下的掌子面穩(wěn)定性，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析。結(jié)果表明，調(diào)整后的核心土面積能夠滿足施工要求，保證掌子面的穩(wěn)定性，進而確保整個隧道施工的安全。這一研究對于類似地質(zhì)條件下的隧道施工具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 Ⅴ級圍巖；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法；核心土面積；隧道施工

中圖分類號 U445 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0125-03

0 引言

小凈距隧道Ⅴ級圍巖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進行施工，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）規(guī)定：核心土面積宜不小于斷面面積的50%，但根據(jù)隧道設(shè)計圖紙，小凈距隧道中的夾巖體需進行5.5 m的長錨管加固，核心土面積較大則影響長錨管的施工。為方便長錨管施工，需要調(diào)整核心土面積。因此，進一步探討Ⅴ級圍巖掌子面的穩(wěn)定性分析具有一定的實際意義及工程價值。

1 工程概況

一級公路路線全長約1.16 km，其中隧道長約992.5 m（左右洞平均長度）。隧道單洞凈寬12 m；隧道出洞口為丘陵緩坡，自然坡度10°～15°，坡表為雜樹林，表部為殘坡積層，黃褐色，主要由碎石、角礫及黏性土組成，厚度為0.5～2 m不等，碎石含量約10%～20%，粒徑為2～4 cm，局部大于15 cm，其余為黏性土；下浮基巖為砂礫巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，全強風(fēng)化呈灰褐、紫紅色；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體較完整，巖質(zhì)軟，遇水易軟化崩解。隧址區(qū)總體位于玄武巖臺地內(nèi)，洞身穿越含礫粉砂巖和砂礫巖；隧道全線為Ⅴ級小凈距隧道，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，機械開挖施工，隧道圍巖的整體穩(wěn)定性較差，由于小凈距隧道需要對中夾巖層進行加固處理，核心土將影響5.5 m的小導(dǎo)管施工，為滿足施工需要，需調(diào)整核心土面積，以方便中夾巖的加固施工[1]。

2 地質(zhì)、水文情況及掌子面理論分析

隧址區(qū)主要為玄武巖臺地，地勢平緩，隧道埋深5～60 m。坡表為薄層耕植土，其下為殘破積層，黃褐色，主要由黏性土及含黏性土的碎礫石組成，厚度為0.5～2 m不等，碎石含量約10%～20%，粒徑2～4 cm。其中隧道穿越山體表層局部存在覆蓋層滑坡，地層巖性主要為含碎石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎塊石、塊石，雜亂分布，厚度約7～8 m，現(xiàn)狀已采用擋墻加固，坡體穩(wěn)定。下伏基巖為砂礫巖與泥質(zhì)粉砂巖互層。

地下水主要為殘坡積孔隙潛水和基巖裂隙水，匯水面積較大，地下水易于排泄，水量一般；開挖時沿節(jié)理面會有滲水現(xiàn)象，降雨時可能有淋雨狀出水。

隧道穿越中風(fēng)化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，膠結(jié)性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整～較破碎，圍巖呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，Rc=5.9～7.5 Mpa，Kv=0.45～0.75，[BQ]=170.2～226.8，綜合評定圍巖級別為Ⅴ級圍巖。

采用靜力平衡法對Ⅴ級圍巖巖體隧道的掌子面破壞機理進行分析，利用靜力平衡方法研究掌子面的穩(wěn)定性問題，掌子面主動土壓力與核心土提供的抗力相平衡[3]，從而認(rèn)定掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道掌子面的巖體較完整，巖體抗壓強度較低，考慮施工節(jié)奏較為緊密，暫不考慮風(fēng)化差異性對巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)合施工工況對隧道變形進行控制分析。

3 三維有限元模型

依據(jù)地勘報告和隧道設(shè)計圖紙，建議三維隧道模型，模型的具體尺寸為70 m×30 m×35 m（長×寬×高）。隧道跨徑取B=13.70 m，隧道拱頂距模型頂部的距離為15 m。模型邊界條件：模型的底部為固定邊界，四周為法向約束邊界，頂部為自由邊界。圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元進行模擬，如圖1、圖2、圖3所示：

根據(jù)設(shè)計方案和勘察資料，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

4 施工階段與數(shù)值模擬結(jié)果分析

隧道開挖1.5 m數(shù)值模擬如圖4所示：

隧道開挖7.5 m數(shù)值模擬如圖5所示：

隧道開挖10.5 m數(shù)值模擬如圖6所示：

數(shù)值模擬變形結(jié)果如圖7所示：

數(shù)值模擬變形結(jié)果如表2所示：

5 結(jié)果分析

根據(jù)軟件三維建模計算結(jié)果，隧道中部核心土頂部及隧道拱頂位置為變形最大位移處[2]，隧道掌子面位移變形量為0.97～1.73 mm，可以保持穩(wěn)定狀態(tài)；隧道拱頂部位移變形量為1.72～18.5 mm，能夠滿足隧道設(shè)計的預(yù)留變形量；核心土區(qū)域頂部位移變形量為3.6～20.2 mm，不會出現(xiàn)隧道的底部隆起。隧道采用機械開挖的方式，施工振動較小，對圍巖的自穩(wěn)定能力影響較小。因此，綜合隧道各部位的變形量結(jié)果，可以滿足設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)

6.1 拱頂位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

調(diào)整核心土后，隧道機械開挖施工的拱頂位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3所示：

6.2 周邊地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

調(diào)整核心土后，隧道機械開挖施工的周邊地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4所示：

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

隧道Ⅴ級圍巖整體性較好，局部含軟弱夾層，隧道進洞后滲水量較少，具有一定的自穩(wěn)能力，在初期支護及時的情況下，可以縮小核心土面積，方便中夾巖的加固施工，同時可以保證掌子面的穩(wěn)定性，既加快了項目的實施進度，又保證了項目的施工安全性。根據(jù)調(diào)整核心土面積后施工過程中反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果與模型分析結(jié)果相近，屬于可控范圍，能夠滿足安全施工的要求。

綜合以上計算結(jié)果，考慮施工的便利性，在現(xiàn)有圍巖的地質(zhì)情況下，調(diào)整后核心土的面積可以滿足隧道掌子面穩(wěn)定性的需求。

7.2 建議

在隧道施工中應(yīng)及時關(guān)注掌子面的圍巖地質(zhì)情況變化及滲水量大小，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報的分析成果，以及施工后監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合對比分析，動態(tài)調(diào)整核心土面積。開挖后應(yīng)及時進行初期支護的施工，防止局部節(jié)理裂隙發(fā)育而發(fā)生小型的圍巖塌落，保障施工安全。

參考文獻

[1]練鋼.某隧道深埋段圍巖壓力計算及受力特性研究[J].福建建設(shè)科技，2021（3）：43-45+80.

[2]董德智.軟弱圍巖大斷面隧道開挖面變形控制技術(shù)[J].建材與裝飾，2019（20）：258-259.

[3]肖先武.丘陵山區(qū)隧道環(huán)形開挖預(yù)留核心土法單向出洞施工工藝探討[J].交通科技與管理，2023（08）：89-91.