不同施工工法影響下軟巖隧道二襯安全步距分析

摘 要：文章以某擬建軟巖公路隧道（單洞雙車道）為研究背景，利用有限差分軟件設置不同施工工法的隧道數(shù)值開挖模型（全斷面、臺階法以及CD法），以巖土體累積總位移以及變形速度作為判斷依據(jù)，分析確定不同施工方法條件下的二襯施工安全步距。結果表明：以沉降值、收斂值、沉降速度和收斂速度作為依據(jù)，應再結合施工安全與工作面要求對二襯安全步距進行確定；基于施工安全與工作面要求，在支護承載力前提下得出擬建隧道最優(yōu)工法為全斷面法，二襯安全步距為18 m。該成果可為類似隧道二襯施工安全步距選取提供參考。關鍵詞：軟巖隧道；施工工法；二襯步距；數(shù)值仿真

中圖分類號：U455.91

0 引言

施工安全步距作為隧道施工階段的安全控制環(huán)節(jié)，塌方工程事故原因多數(shù)與安全步距有關。施工安全步距設計過小或過大均有著不利影響，安全步距過小易導致機械進場以及施工組織困難，設置過大又易導致巖土體變形過大，甚至發(fā)生塌方事故，因此利用數(shù)值模擬求解合理施工安全步距具有重大安全意義［1］。現(xiàn)行規(guī)范中施工安全步距是借助統(tǒng)計學形成的工程經(jīng)驗取值，缺少理論支撐且未形成有效系統(tǒng)體系，滿足規(guī)范施工安全步距條件下仍出現(xiàn)工程事故的情況屢見不鮮，規(guī)范中僅針對巖土體等級進行了粗略劃分，關于地下水以及支護結構的影響并未進行準確考慮，因此規(guī)范施工安全步距只能起到參考作用，增大或者縮小要根據(jù)實際隧道工程施工進程而確定［2］。施工安全步距合理設置不僅是控制施工安全的關鍵環(huán)節(jié)，也同時關系著施工進度，若施工安全步距存在局限性，將導致機械施工需轉化為人工，而使掘進速率降低，考慮到施工安全與進度的雙重要求，擬建隧道應于施工前進行工法可行性研究，模擬選擇出合適的施工工法，進而確保隧道施工安全與施工進度［3］。

目前施工安全步距主要從仰拱、二襯等方面進行考慮，安全步距核心在于新奧法的“緊封閉”，及時封閉成環(huán)可有效承擔拱腳剪切作用，調整隧道開挖輪廓線形狀以確保隧道結構的規(guī)則性。鐵路建設規(guī)范中針對軟巖隧道（Ⅴ級及以上圍巖等級）的仰拱、二襯施工安全步距規(guī)定分別為35 m、70 m，而對于公路隧道而言仰拱、二襯施工安全步距分別為30 m、70 m［4］。黃維科等［5］對某Ⅳ級圍巖公路隧道采用機械化施工，基于施工安全與進度需求對施工安全步距進行動態(tài)優(yōu)化，研究表明施工安全步距選取80 m即可同時滿足施工安全與機械施工雙重要求；王齊［6］為實現(xiàn)隧道施工安全以及機械流水施工雙重要求，采用有限差分軟件設置Ⅳ級圍巖深埋隧道數(shù)值模型，對最大合理施工安全步距展開研究，探究支護條件下施工合理安全步距理論值；秦苛等［7］對某軟弱圍巖大斷面隧道的仰拱、二襯施工安全步距進行動態(tài)調整，利用有限差分軟件設置數(shù)值模型，從沉降、收斂變形與結構應力等方面進行分析，研究表明調整施工安全步距會導致隧道變形以及應力增增大，但仍然處于安全取值范圍內；史繼堯等［8］借助實際隧道工程的勘察設計、施工工藝以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等資料，利用有限元軟件設置符合工程實際的數(shù)值仿真模型，基于軟巖隧道大變形等特點，探究仰拱施工安全步距和上下臺階長度對支護結構變形的影響規(guī)律?？紤]到目前施工安全步距的既有系統(tǒng)研究論點仍然存在不足，本文以某擬建的單洞雙車道軟巖公路隧道為模擬對象，利用有限差分軟件建立全斷面法、臺階法以及CD法開挖數(shù)值模擬，從預計總變形位移以及位移變形速度等兩方面明確二襯施工合理安全步距，為后續(xù)類似隧道施工安全步距的選擇提供參考。

1 工程背景

某擬建公路隧道長度為826 m，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖分別占比23%、76%，軟巖區(qū)段主要為砂巖夾頁巖，鈣質膠結，地處地下水發(fā)育區(qū)域，裂隙與節(jié)理較為發(fā)育，最大埋深約57 m，Ⅴ級軟弱圍巖區(qū)段隧道輪廓線如下頁圖1所示，內輪廓面積為77.2 m2。針對擬建隧道機械流水施工的合理性以及施工安全穩(wěn)定性，于隧道開挖前對施工工法進行可行性探究，以二襯施工安全步距作為評價標準，在保證施工安全性條件下選擇最優(yōu)二襯施工安全步距，初步支護結構參數(shù)設計見下頁表1。

2 不同施工工法數(shù)值模型的建立

選擇最不利截面（埋深57 m）建立隧道開挖數(shù)值模型，考慮到開挖影響范圍以及施工安全步距的規(guī)范要求，設置水平×縱向×高度（100 m×100 m×100 m）的仿真模型，以加固區(qū)域代替鋼筋網(wǎng)與錨桿的效果，巖土體、加固范圍巖土體以及初支采用實體單元進行模擬，二襯采用liner單元進行模擬，巖土體均為摩爾-庫侖本構，初支以及二襯為彈性本構。力學邊界條件為上端自由，左右兩端為水平位移約束，前后兩端為縱向位移約束，底端為垂直方向約束，擬建隧道針對全斷面法、上下臺階法以及CD法等施工工法進行開挖模擬分析，具體數(shù)值模型見圖2，詳細模擬參數(shù)見表2。隧道側壓力系數(shù)為0.5，每日循環(huán)開挖均為1.0 m。

3 不同施工工法下的二襯安全步距分析

采用不同的施工工法進行隧道開挖可行性模擬分析，從二襯施工安全以及施工工作面足夠的雙重要求出發(fā)，以圍巖變形穩(wěn)定為施工安全穩(wěn)定性的準則，通過提取全斷面法、上下臺階法以及CD法工況下的巖土體變形數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出變形速度，綜合累積總位移以及變形速度判定得出二襯安全步距，綜合極限沉降與收斂位移、沉降與收斂速度等層面確定出二襯安全步距的最優(yōu)解。

3.1 基于極限拱頂沉降的二襯安全步距的確定

提取不同施工工法下進口斷面的拱頂沉降值，通過雙擬合曲線進行分析，據(jù)規(guī)范中關于二襯施工時間的相關規(guī)定，以沉降總位移變形的90%作為判定依據(jù)［9］，三種開挖方法的進口斷面頂部沉降變化曲線見圖3。

對圖3不同施工工法下的隧道進口斷面拱頂沉降的變化規(guī)律進行分析，得出以下結論：

（1）擬建隧道掘進過程中，圍巖拱頂沉降均會經(jīng)歷急速變形、緩慢變形階段，最終變形接近于穩(wěn)定狀態(tài)。通過雙曲線對沉降模擬數(shù)據(jù)進行擬合，求解得出全斷面法、上下臺階法及CD法等工況的極限拱頂沉降分別為13.0 mm、12 mm、11.9 mm，而數(shù)值模擬開挖完成后的累積位移分別為12.8 mm、11.8 mm、11.6 mm，分別占比98.5%、98.3%、97.5%，說明擬建隧道開挖完成后，進口斷面位移數(shù)值已非常接近極限位移值。

（2）以預計極限沉降總位移變形的90%作為二襯施工安全步距的判定依據(jù)。當全斷面法、上下臺階法及CD法等工況的累積拱頂沉降達11.7 mm、10.9 mm、10.7 mm，滿足極限沉降總位移變形的90%要求，對應分析得出全斷面法、上下臺階法及CD法等工況下的二襯施工安全步距分別為16 m、20 m、21 m，以施工安全為主導，機械施工工作面為輔的要求，結合二襯施工安全步距進行分析，確定出施工工法優(yōu)劣排序為全斷面法＜上下臺階法≈CD法。

3.2 基于極限周邊收斂的二襯安全步距的確定

將進口斷面周邊收斂利用指數(shù)曲線進行擬合分析，以極限周邊收斂變形的90%作為判定依據(jù)［10］，全斷面法、上下臺階法及CD法工況下的進口斷面周邊收斂變化曲線如圖4所示。

對圖4不同施工工法下的隧道進口斷面周邊收斂變化規(guī)律進行對比分析，得出下列結論：

（1）與拱頂沉降變形趨勢一致，周邊收斂有極速變形、緩慢變形及趨于穩(wěn)定三階段。借助指數(shù)函數(shù)進行擬合分析，得出全斷面法、上下臺階法及CD法等工況下極限周邊收斂分別為8.5 mm、8.2 mm、7.9 mm，模擬開挖結束后的周邊收斂累積數(shù)值分別達8.3 mm、8.1 mm、7.8 mm，分別占比97.6%、98.8%、98.7%，表明模擬開挖完成后的進口斷面周邊收斂已接近于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）以預計極限周邊收斂的90%作為二襯安全步距的判定依據(jù)。處于全斷面法、上下臺階法及CD法等條件下的累積周邊收斂達7.6 mm、7.4 mm、7.2 mm，基本滿足極限沉降總位移變形的90%要求，對應全斷面法、上下臺階法及CD法等工況下二襯施工安全步距均為18 m，從周邊收斂分析結果得知不同施工工法條件下的二襯施工安全步距取值相同，鑒于施工工作面要求，確定出施工工法優(yōu)劣排序為全斷面法＞上下臺階法＞ CD法。

3.3 基于沉降速度的二襯安全步距的確定

基于前文的隧道進口斷面拱頂沉降擬合雙曲線，進行一次求導得出沉降變形速度，可將規(guī)范中關于沉降變形速度的規(guī)定作為二襯安全步距的評價標準，將沉降速度＜0.07 mm/d（每天進尺1 m）對應的距離作為二襯施工安全步距［11］，則三種工法下的進口斷面沉降速度變化曲線見圖5。

分析圖5中不同工況下的隧道進口斷面圍巖沉降速度變化規(guī)律，分析得出以下觀點：

（1）進口斷面巖土體沉降速度隨時間增大而逐漸減小，最終趨近于0。通過沉降雙曲線函數(shù)求導分析得出全斷面法、上下臺階法及CD法等條件下初始最大沉降速度分別為3.0 mm/d、2.7 mm/d、2.5 mm/d，開挖100 d后，各工況下的沉降速度均降至0.002 mm/d，說明模擬開挖完成后進口斷面表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）以沉降速度0.07 mm/d作為二襯安全步距的判定依據(jù)。全斷面法、上下臺階法及CD法等模擬進口斷面沉降速度于開挖18 d后均＜0.07 mm/d，由于每日循環(huán)進尺1 m，因此可以判定18 m可以作為二襯施工安全步距，從沉降速度分析得出各工況下的二襯安全步距相同，在施工安全能確保前提下，考慮機械施工進場要求，確定優(yōu)劣排序為全斷面法＞上下臺階法＞CD法。

3.4 基于收斂速度的二襯安全步距的確定

基于前文的隧道進口斷面周邊收斂指數(shù)擬合曲線，進行一次求導得出收斂速度，將規(guī)范中關于收斂變形速度的規(guī)定作為二襯安全步距的評價標準，將收斂速度＜0.1 mm/d（每天進尺1 m）對應距離作為二襯施工安全步距［12］，則三種工法下的進口斷面收斂速度變化曲線如圖6所示，對比分析得出下列結論：

（1）隧道進口斷面巖土體收斂速度變化趨勢與沉降速度變形一致，均表明隧道結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。將收斂指數(shù)函數(shù)經(jīng)過一次求導分析得出全斷面法、上下臺階法及CD法等條件下的初始最大收斂速度分別為2.3 mm/d、2.4 mm/d、2.4 mm/d，特征斷面圍巖開挖100 d后的沉降速度均降至0.001 mm/d，可以判定隧道于施工階段處于穩(wěn)定。

（2）以收斂速度＜0.1 mm/d作為二襯安全步距的判定依據(jù)。全斷面法、上下臺階法及CD法等工況下的進口斷面收斂速度在開挖12 d后＜0.1 mm/d，由此判定12 m可以作為二襯施工安全步距，從收斂速度層面確定在二襯安全步距相同、支護結構能夠滿足施工安全前提下，綜合機械施工要求，得出施工工法優(yōu)劣排序為全斷面法＞上下臺階法＞CD法。

4 結語

本文對某擬建軟巖公路隧道的施工工法可行性展開分析，建立全斷面法、上下臺階法及CD法等施工開挖數(shù)值模型，提取不同工況的拱頂沉降、周邊收斂變形數(shù)據(jù)進行分析，用雙曲線、指數(shù)函數(shù)進行擬合，通過一次求導得出沉降、收斂速度公式，據(jù)規(guī)范中變形位移以及變形速度的相關規(guī)定，綜合沉降、收斂位移以及沉降、收斂速度，分析確定出二襯安全步距且得出施工工法優(yōu)劣性排序，具體結論如下：

（1）全斷面法、臺階法及CD法的極限沉降分別為13.0 mm、12 mm、11.9 mm，隧道開挖完成后，特征斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)；以極限沉降位移的90%作為二襯安全步距依據(jù)，得出全斷面法、臺階法及CD法的二襯安全步距分別為16 m、20 m、21 m，綜合施工安全與工作面要求，確定優(yōu)劣排序為全斷面法＜臺階法≈CD法。

（2）全斷面法、臺階法及CD法的極限收斂分別為8.5 mm、8.2 mm、7.9 mm，模擬開挖完成后的進口斷面收斂不再增長；以極限收斂的90%作為二襯安全步距判定依據(jù)，確定出全斷面法、臺階法及CD法的二襯安全步距均為18 m，二襯安全步距相同，考慮到支護已滿足施工安全性，為方面機械進場，得出優(yōu)劣排序為全斷面法＞臺階法＞CD法。

（3）全斷面法、臺階法及CD法等條件下最大沉降速度分別為3.0 mm/d、2.7 mm/d、2.5 mm/d，開挖100 d后各工況下的沉降速度降至0.002 mm/d；以沉降速度0.07 mm/d作為二襯安全步距依據(jù)，判定全斷面、臺階、CD法的二襯安全步距為18 m，綜合施工安全與工作面要求，確定優(yōu)劣排序為全斷面法＞臺階法＞CD法。

（4）全斷面法、臺階法及CD法下的最大收斂速度分別為2.3 mm/d、2.4 mm/d、2.4 mm/d，特征斷面圍巖開挖100 d后的沉降速度均降至0.001 mm/d；以收斂速度＜0.1 mm/d作為二襯安全步距依據(jù)，全斷面法、臺階法、CD法的二襯安全步距均為12 m，支護滿足施工安全前提下，優(yōu)先機械施工要求，確定施工工法優(yōu)劣排序為全斷面法＞上下臺階法＞CD法。

參考文獻：

［1］王海周.隧道新奧法施工安全步距計算方法［D］.蘭州：蘭州交通大學，2015.

［2］童 凱.新華隧道全斷面開挖及施工步距優(yōu)化研究［D］.濟南：山東大學，2019.

［3］郭鴻雁，張曉龍，蘇軍偉，等.公路隧道Ⅳ級圍巖段機械化全斷面施工步距控制研究［J］.公路交通技術，2020，36（6）：98-102，108.

［4］王玉林.公路隧道Ⅴ級圍巖施工安全步距分析與探討［J］.建筑技術開發(fā)，2019，46（5）：141-142.

［5］黃維科，馬建云，張利斌，等.Ⅳ級圍巖隧道大型機械化施工與安全步距分析［J］.公路，2021，66（6）：385-390.

［6］王 齊.混合巖地層大斷面隧道施工安全步距優(yōu)化研究［J］.工程建設，2018，50（12）：1-4.

［7］秦 苛，張翰洋，蔡曉斌，等.軟巖大斷面隧道安全施工步距數(shù)值模擬分析［J］.科學技術創(chuàng)新，2023（24）：161-164.參考文獻：

［8］史繼堯，王 玥.仰拱步距和臺階長度對軟巖大斷面隧道穩(wěn)定性影響分析［J］.隧道建設，2017，37（4）：428-434.

［9］GB50086-2018，錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范［S］.

［10］羅彥斌.黏彈性條件下大跨度公路黃土隧道二次襯砌施作時機 ［J］.長安大學學報（自然科學版）， 2021， 9（5）： 86-95.

［11］李先進，林春剛，李 荊.鐵路隧道二次襯砌施工新方法及襯砌臺車方案設計［J］.隧道建設（中英文），2021，41（2）：293-299.

［12］帥遠梁.考慮蠕變特性軟巖隧道二次襯砌支護時機研究［D］.南昌：東華理工大學，2022.20240411