留核心土法開挖隧道拱頂的下沉規律分析

賴春華

（贛州誠正公路工程監理有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

軟弱圍巖具有軟、弱、松、散等低強度特性，受開挖擾動，圍巖變形量大、變形速度快。在膨脹土、破碎帶等軟弱圍巖中施工，確保掌子面的穩定性至關重要。掌子面的穩定性一方面跟埋深息息相關，另一方面也跟開挖方法密不可分。

留核心土法能有效地穩定掌子面，并具有以下優勢：

（1）施工空間大，方便機械化施工，對于軟弱圍巖可以利用挖掘機開挖，工效高；

（2）施工靈活，當圍巖條件發生變化時，能夠快速地調整施工方法與施工工序；

（3）對不同跨度及不同斷面形式的適應能力強。

1 工程背景

某隧道主線為雙向四車道隧道，匝道為單向單車道隧道。主線設計車速為100km/h，車道寬度為3.5m+3.5m。隧道區域斷層破碎帶主要分布于ZK11～ZK14鉆孔地段，結合區域地質資料分析，該破碎帶寬約40m。受該破碎帶影響，其東西兩側巖體破碎，風化強烈，全風化板巖結構為松疏的砂土狀、角礫狀、碎裂狀。巖芯多為巖屑、巖粉、碎石狀，少量的塊狀、短柱狀。破碎帶區域采用弧形導坑留核心土法開挖。圖1為施工斷面示意圖。

圖1 隧道開挖斷面示意圖

上弧形導坑采用人工鉆孔弱爆破法開挖，隨后進行拱部初期支護。中洞核心采用人工配合反鏟挖掘機臺階法開挖。先施作中洞拱部小導管預注漿超前支護，然后開挖中洞拱部核心土，再開挖下部中洞核心土。中洞拱部核心土開挖后，噴射4cm混凝土封閉圍巖，然后架設拱部鋼拱架，拱部鋼拱架與雙側壁導坑邊墻鋼架一一對應，緊密相連，然后打錨桿、掛網、再復噴混凝土至8cm。每循環進尺1m。

2 有限元計算

隧道埋深20m。考慮到模型幾何及受力關于隧道中線對稱，建立1/2有限元模型。模型長40m、寬100m、高70m，共33 560個六面體單元，47 273個網格節點。其中隧道結構部分如圖2所示。計算中，核心土高2.5m、長3m，開挖進尺取1m，加固圈厚1.5m，二襯厚0.5m，初襯厚0.2m，短臺階取12m。模型左、右、前、后邊界為鉸接約束，下邊界為固結約束。圍巖級別為Ⅴ級，力學參數按照《公路隧道設計規范》取值。材料屬性如表1所示。

圖2 隧道結構有限元模型

表1 有限元計算材料屬性

3 結果分析

有限元計算結果與現場監測數據的對比如圖3所示。

圖3 隧道拱頂沉降計算值與實測值的比較

由圖3可以看出，拱頂下沉計算值與實測值較吻合，但由于現場監測是開挖一段時間之后開始的，實測初始值較小。拱頂下沉曲線大致可分為三個階段：

（1）第一階段：當掌子面推進到0～0.5D時，由于開挖掌子面受力狀態由三向變為兩向，按照計算值，第一個進尺下沉約10mm，第二個進尺下沉約20mm，第三個進尺下沉約10mm，第四個進尺下沉約5mm，下沉速度有減小的趨勢；

（2）第二階段：當掌子面推進到0.5～1D時，隨著初期襯砌施作及圍巖加固，圍巖位移得到抑制，拱頂下沉速度明顯減緩，每個進尺拱頂下沉量在1mm左右；

（3）第三階段：當掌子面推進到1～2D時，隨著仰拱及二襯的陸續施作，隧道斷面封閉成環，受力性能得到很大改善，洞頂下沉速度趨向于零。

4 結語

如何既快又好地在軟弱圍巖中開挖隧道是工程界面臨的重大課題之一。拱頂沉降是反映掌子面穩定的關鍵指標，本文通過數值模擬分析了留核心土法開挖拱頂沉降隨掌子面推進的變化規律，并將計算結果與現場監測數據進行了對比，兩者規律基本一致，說明計算結果正確可信，可為相關工程的設計與施工提供借鑒。

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