李凱

摘要 針對軟弱斷裂、破碎圍巖段的隧洞開挖施工存在的突水、塌方等施工安全問題，結(jié)合某高速公路隧道穿越軟弱斷裂圍巖段施工實踐進(jìn)行施工技術(shù)難點分析。利用有限元軟件對不同開挖方式下穿越軟弱斷裂的深埋隧洞施工進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，希望能對同類項目起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞 公路隧道項目；軟弱斷層；開挖工法；圍巖穩(wěn)定性

中圖分類號 U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0054-03

0 引言

近幾年，我國高速公路的建設(shè)規(guī)模日益擴大，隧道施工面臨的地質(zhì)情況愈加復(fù)雜，施工安全風(fēng)險較大。在施工實踐中往往需穿越軟弱斷裂的巖體區(qū)，而此類地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)十分脆弱，施工時容易發(fā)生突泥、塌方、突水等安全事故，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。為了確保隧道工程安全高效地開展，進(jìn)行相關(guān)的理論和實踐研究很有必要。

1 工程概況

某高速公路隧道全長1 966 m。該隧道工程所在區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，以太古界、第四紀(jì)坡積、洪積層、長城系為主，其中洪積層和第四紀(jì)坡積分布連續(xù)，地層厚度在0.8～3.5 m之間。隧道洞身穿越3條泥巖和砂巖組成的斷層，各斷層寬度在20～50 m之間，斷裂方向大致與高速公路線路基本垂直。該高速公路隧道為分段式中等跨度隧道，其單洞結(jié)構(gòu)極限尺寸為11.0 m×5.5 m，出入口平面采用單方斜坡設(shè)計，坡度2.6%，抗震設(shè)防烈度為8級，設(shè)計荷載為公路—I級。

2 數(shù)值計算模型及方案設(shè)計

采用有限元方法模擬不同的隧道跨軟弱斷層的開挖施工方案，對穿越斷層隧洞的施工工藝進(jìn)行優(yōu)選。實踐中針對穿越斷層隧道開挖常采取臺階法，根據(jù) MidasGTS/NX有限元仿真工具，基于不同的臺階數(shù)目和不同的芯土體，從襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力和變形等角度，對臺階法進(jìn)行優(yōu)選分析[1]。

（1）結(jié)合該隧道工程施工現(xiàn)場實際情況對巖體斷裂進(jìn)行數(shù)值仿真，通過參數(shù)弱化模擬斷層地質(zhì)情況，該斷層的傾斜角度和夾角約為90°，層厚19 m，圍巖等級為Ⅴ類。表1給出了斷層的相關(guān)弱化參數(shù)[2]。

（2）在前期支護(hù)施工中，支護(hù)系統(tǒng)的錨索使用4 m長的錨管，采用C25混凝土進(jìn)行噴射作業(yè)，仰拱、拱壁厚28 cm，全環(huán)由I20b型鋼構(gòu)成拱架。在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加初始支護(hù)的彈性模量等參量，采用等效法對鋼拱架的支護(hù)效果進(jìn)行簡化，具體公式如下：

式中，E0——初始噴射混凝土的彈性模量；E——折算后的噴射混凝土彈性模量；Sg——鋼架的截面積；Eg——鋼材彈性模量；Sc——噴射混凝土的截面積。

（3）鋼材和混凝土的相關(guān)參數(shù)基于相關(guān)隧道工程施工設(shè)計要求以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定，初期支護(hù)的數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

（4）在進(jìn)行開挖施工方案的優(yōu)選時，二次襯砌用于安全儲備，以初期支護(hù)為主承載體，因此，可忽略二次襯砌的影響，重點分析初期支護(hù)的影響。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為鋼拱架、噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼拱架混凝土作為一個整體，用二維板單元進(jìn)行仿真分析，而錨桿則通過一維內(nèi)插桁架單元進(jìn)行仿真分析[3]。

3 數(shù)值模擬方案設(shè)計

數(shù)值仿真計算時，先開挖模擬再進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)模擬。保持封閉距離不變，擬定多種開挖施工方案，進(jìn)行優(yōu)選計算分析，擬定工況統(tǒng)計結(jié)果見表3。施工過程中，所有仰拱均單獨開挖，開挖進(jìn)尺均為2 m，并確保封閉距離不變。

隧道重點位置的位移和變形監(jiān)測，由于是對稱結(jié)構(gòu)，在此僅選取一側(cè)的相關(guān)部位進(jìn)行監(jiān)測，測點設(shè)置見圖1。仰拱、拱頂處監(jiān)測豎向位移，邊墻拱腳處監(jiān)測水平位移。

4 不同開挖工法襯砌應(yīng)力分析

開挖施工結(jié)束后，對襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行計算，相關(guān)模型均采用20 m的斷層厚度，因此，僅選取斷層中部的一環(huán)襯砌作為試件進(jìn)行應(yīng)力分析，3種工況下襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最大/最小值見圖2～7。不同開挖工法襯砌應(yīng)力統(tǒng)計見表4[4]。

根據(jù)圖2～7數(shù)據(jù)分析可以看出：①在不同工況下，襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最大/最小值云圖近似，壓應(yīng)力較大、拉應(yīng)力較小，在斷層內(nèi)部的襯砌主要受到壓力作用；②開挖工作方式由V-01向V-03轉(zhuǎn)變的過程中，臺階法、臨時仰拱法、預(yù)留核心土法對應(yīng)的襯砌應(yīng)力極值增加，但分布較為均衡，較少出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力值較?。虎蹚囊r砌結(jié)構(gòu)的受力情況來看，穿越軟弱斷層的隧道開挖施工應(yīng)采取臺階法，且三段式臺階法要比二段式臺階法效果更好，預(yù)留核心土可提高襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況[5]。

5 不同開挖工法圍巖變形分析

開挖結(jié)束后，圍巖變形計算，模型統(tǒng)一選取20 m的斷層厚度，故只選取在該模型中部橫向斷面進(jìn)行圍巖體變形計算分析，其極值計算分析結(jié)構(gòu)見表5。

根據(jù)表5可以看出：①無論施工方法如何改變，豎向位移的隆起極值均大于沉降極限；②從水平位移來看，水平對稱位置的水平位移差異不大；③兩臺階法、三臺階法和三臺階預(yù)留核心土法對應(yīng)的隆起值、沉降值與水平位移值均下降；④采用臺階法預(yù)留核心土法可有效抑制巖體變形，因而從巖體總體變形角度看，應(yīng)采用臺階法進(jìn)行穿越斷層隧道開挖，三段式臺階法效果優(yōu)于二段式臺階法，而且三臺階預(yù)留核心土法在圍巖變形控制及維護(hù)圍巖穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢[6]。

6 不同斷面形式監(jiān)測點位移時空變化分析

經(jīng)比較分析得出：①不同工況下，且在邊界條件下，模型有局部增減；②隧道施工中位移極大值均出現(xiàn)在斷層中；③測點數(shù)據(jù)顯示，斷層內(nèi)的位移變化幅度顯著增加，斷層外的位移變化則相對平緩，尤其是拱頂處的位移，在斷層時位移變化顯著；④在開挖工法—兩臺階開挖—三臺階再到預(yù)留核心土的過程中，一般圍巖段的位移變化不顯著，但在軟弱斷層段內(nèi)，圍巖各處的位移顯著降低[7]。

7 結(jié)論

綜上所述，在穿越軟弱斷層隧道施工中，不同的開挖施工方案下，襯砌結(jié)構(gòu)的受力均以承壓為主。依次采用二段式臺階法、三段式臺階法、預(yù)留核心土法開挖，仿真結(jié)果顯示采用臺階法進(jìn)行開挖施工，雖然在施工過程中土應(yīng)力極值增加，但應(yīng)力分布更均衡[8]。

（1）依次采用二段式臺階法、三段式臺階法和預(yù)留核心土法開挖。

（2）對測點處的位移進(jìn)行時間特征和空間特征分析，在一定程度上減少了軟弱斷層對開挖施工的影響。

（3）從襯砌的受力、圍巖的變形、圍巖的穩(wěn)定等多個方面分析發(fā)現(xiàn)，在穿越軟弱斷層隧道施工中，應(yīng)采用臺階法開挖，且三段式臺階法效果略好于二段式臺階法，更好地確保圍巖的穩(wěn)定性，從而保證隧道施工安全[9]。

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