袁興華，張守龍，陳立鵬

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東青島 266000）

0 引言

軟弱圍巖的顯著特征就是質(zhì)軟、結(jié)構(gòu)松散、巖體穩(wěn)定性差，軟巖隧道在施工過程中經(jīng)常遇到圍巖變形量過大、初期支護(hù)嚴(yán)重變形而導(dǎo)致侵限嚴(yán)重、掌子面變形過大而導(dǎo)致局部坍塌、頻繁設(shè)計(jì)變更等問題。因此，軟巖隧道的變形特征和穩(wěn)定性控制一直是當(dāng)前隧道工程界研究的熱點(diǎn)問題之一。目前，國內(nèi)專家學(xué)者主要采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場監(jiān)測等手段，研究軟巖隧道的施工力學(xué)行為。受目前監(jiān)測技術(shù)和認(rèn)識水平的限制，對于深埋軟巖隧道的研究重點(diǎn)主要集中在隧道開挖后的洞周變形上，而對于掌子面變形的研究相對較少。工程實(shí)踐中對于深埋軟弱圍巖來說，有效控制掌子面的變形才是保證隧道整體穩(wěn)定的關(guān)鍵。

本文以新茨溝隧道為工程背景，通過對不同支護(hù)參數(shù)、不同臺階長度、不同臺階高度?3?種工況進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出隧道掌子面變形規(guī)律，將三維數(shù)值模擬結(jié)果用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

新茨溝隧道位于漢江右側(cè)中、低山區(qū)，隧道起止里程為?DZK219+840～DZK220+737，全長?897??m，隧道最大埋深?215??m，隧道洞身穿越地層主要為第四系坡積層、志留系下統(tǒng)片巖，為深埋軟巖隧道。本隧道在施工過程中遇到的主要地質(zhì)問題為炭質(zhì)片巖，炭質(zhì)片巖為軟弱圍巖，片狀構(gòu)造發(fā)育，地層產(chǎn)狀多變，褶曲發(fā)育，受構(gòu)造擠壓作用明顯，巖體從破碎至極破碎，開挖中容易產(chǎn)生坍塌。DZK220+525～DZK220+669?段原設(shè)計(jì)為Ⅴ級一般圍巖，采用?1?榀/m?的格柵鋼架支護(hù)，初期支護(hù)厚度為?22??cm，現(xiàn)場實(shí)際施工過程中，掌子面變形過大而導(dǎo)致局部坍塌，初期支護(hù)嚴(yán)重受損破壞并侵限。

2 掌子面變形模擬分析

2.1 三維數(shù)值模型

2.1.1 模型與參數(shù)確定

為保證計(jì)算精度，數(shù)值模擬計(jì)算范圍按?5?倍隧道洞徑考慮。指定沿隧道軸線里程增大方向?yàn)閅軸正向，豎直向上為Z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向右方向?yàn)閄軸正向，整個計(jì)算模型在X、Y、Z3?個方向尺寸為80??m×60??m×90??m，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬初期支護(hù)和圍巖結(jié)構(gòu)，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向位移約束，頂面為自由邊界。三維計(jì)算模型如圖?1所示。

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮，圍巖按理想彈塑性材料考慮，材料屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則。本次選取?DZK220+525～DZK220+669?段圍巖進(jìn)行三維數(shù)值模擬。該段原設(shè)計(jì)為?Ⅴ?級一般圍巖，采用?1?榀?/?m?的格柵鋼架支護(hù)，初期支護(hù)厚度為?22??cm，優(yōu)化設(shè)計(jì)初期支護(hù)厚度為?27??cm，2?榀?/?m?I20a?型鋼鋼架支護(hù)。在拱部結(jié)合鋼架增設(shè)φ42??mm?超前小導(dǎo)管灌注?1?:?1?純水泥漿預(yù)加固圍巖，超前小導(dǎo)管按?1?圈?/?2??m?打設(shè)。圍巖及初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)見表?1。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

表1 圍巖及初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)

2.1.2 施工工況及步序模擬

根據(jù)新茨溝隧道埋深情況，以Ⅴ級軟巖段為研究背景，擬進(jìn)行以下模擬。

（1）不同支護(hù)參數(shù)比較。即原設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的比較。

（2）上臺階不同長度的影響。臺階法施工模擬，具體工況為：埋深取?200??m、下臺階長度為?10??m?條件下，上臺階長度取?3??m、?6??m?和?9??m?等?3?種工況。

（3）上臺階不同高度的影響。臺階法施工模擬，具體工況為：埋深取?200??m、上臺階長度為?6??m，下臺階長度為?10??m?條件下，上臺階高度取?4??m、5??m?和?6??m?等3?種工況。

在模擬過程中采用上、下臺階加落底施工，具體施工分部及施工步序如圖?2?所示。為最大程度減少邊界約束對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的影響，取模型中間位置作為數(shù)值模擬分析的目標(biāo)面。

2.2 變形模擬分析結(jié)果

模擬分析結(jié)果表明，不同模擬工況下掌子面擠出變形規(guī)律相似。本文只列出優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)上、下臺階掌子面位移等值圖、Y=?30??m?處掌子面擠出變形隨開挖距離變化曲線圖，見圖?3～圖?6，掌子面最大縱向位移見表?2。為便于比較，上、下臺階掌子面縱向位移均提取自掌子面通過Y=?30??m?中間斷面時(shí)的數(shù)據(jù)。由圖?3～圖?6和表?2?可以看出。

（1）掌子面開挖到?18??m?處時(shí)，即距離目標(biāo)斷面?1.5?倍洞徑時(shí)，目標(biāo)斷面掌子面擠出變形開始產(chǎn)生，越靠近目標(biāo)斷面位置，掌子面擠出變形速率越大，隧道開挖至目標(biāo)斷面位置時(shí)，掌子面擠出變形達(dá)到最大值，說明施工過程中應(yīng)嚴(yán)格貫徹“緊支護(hù)、快封閉”原則，減小掌子面位移。

圖2 施工分部及施工步序

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)上臺階掌子面擠出變形（單位：m）

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)下臺階掌子面擠出變形（單位：m）

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)隧道縱向位移等值圖（單位：m）

圖6 Y = 30 m 處掌子面擠出變形隨開挖距離變化曲線圖

表2 不同工況下掌子面最大縱向位移 mm

（2）2?種不同支護(hù)參數(shù)下，下臺階的掌子面擠出變形均比上臺階的掌子面擠出變形大。原設(shè)計(jì)參數(shù)下下臺階掌子面變形過大，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)后上、下臺階的掌子面縱向變形較原設(shè)計(jì)參數(shù)減小顯著。

（3）隨著上臺階長度增長，掌子面擠出變形呈減小趨勢，但減少趨勢不明顯，說明上臺階長度的變化對上、下臺階掌子面的擠出變形影響較小。

（4）隨著上臺階高度的不斷增加，上臺階掌子面擠出變形增加趨勢明顯，說明實(shí)際施工過程中應(yīng)盡量減小上臺階高度，控制掌子面變形。

3 掌子面變形控制措施

本工程隧道根據(jù)本文三維數(shù)值模擬分析的結(jié)果和建議指導(dǎo)現(xiàn)場施工，掌子面變形得到了較好的控制，隧道后續(xù)施工過程中未出現(xiàn)掌子面變形過大而導(dǎo)致坍塌現(xiàn)象發(fā)生，現(xiàn)場具體施工控制措施如下。

（1）加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)。采用?2?榀?/?m?I20a?型鋼鋼架支護(hù)，初期支護(hù)厚度調(diào)整為?27??cm，并在拱部結(jié)合鋼架增設(shè)φ42??mm?超前小導(dǎo)管灌注?1?:?1?純水泥漿預(yù)加固圍巖，超前小導(dǎo)管按?1?圈?/?2??m?打設(shè)。

（2）采用短臺階法施工。臺階長度控制在?5～15??m，在上臺階開挖斷面高度滿足出砟作業(yè)要求的條件下盡量減小上臺階高度，控制上臺階高度在?4??m?左右。

（3）規(guī)范施工工序。施工中突出“快”字，各工序之間銜接緊密，保證在圍巖加速變形階段之前完成襯砌。嚴(yán)格貫徹“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)”的原則。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

本工程對拱頂下沉和水平收斂進(jìn)行監(jiān)測，圖?7?和圖?8?給出了現(xiàn)場拱頂下沉和水平收斂隨時(shí)間變化的監(jiān)測曲線，由圖?7、圖?8?可以看出：

（1）隧道洞周位移與掌子面變形規(guī)律相似，在隧道開挖初期，變形速率較大，變形急劇增加，前?10?天水平收斂和拱頂下沉累計(jì)變形值達(dá)到終值的?50%?左右，而后隨著時(shí)間的推移，變形速率逐漸變小并趨于穩(wěn)定；

（2）采用本文三維數(shù)值模擬分析結(jié)果和建議指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工后，隧道的拱頂下沉、水平收斂值均控制在允許變形范圍內(nèi)，現(xiàn)場隧道掌子面也未再次出現(xiàn)變形過大而導(dǎo)致局部坍塌現(xiàn)象。

圖7 拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖8 水平收斂與時(shí)間關(guān)系曲線圖

5 結(jié)論

（1）深埋軟巖隧道初期變形速度較大、變形持續(xù)時(shí)間較長，掌子面擠出變形和掌子面后方變形及其影響范圍等均較大。

（2）對于深埋軟巖隧道，應(yīng)提高初期支護(hù)參數(shù)和支護(hù)抗力，同時(shí)在施工過程中嚴(yán)格貫徹“緊支護(hù)、快封閉”原則。

（3）深埋軟巖隧道施工過程中，掌子面縱向擠出變形明顯，掌子面擠出變形受上臺階斷面開挖高度影響顯著，隨著上臺階高度的增加，上臺階掌子面擠出變形呈增加的趨勢。實(shí)際施工過程中，在上臺階開挖斷面高度滿足出砟作業(yè)要求的條件下，應(yīng)盡量減小上臺階高度。

（4）本文的三維數(shù)值模擬分析結(jié)果能夠用于指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工。