某大跨度山嶺隧道掘進方案的優(yōu)化分析

沈碧偉，胡根生

（浙江省交通投資集團有限公司，浙江杭州310020）

1 概述

在破碎圍巖中修建大跨度隧道如何限制超欠挖量和保證開挖面的穩(wěn)定性一直是業(yè)界研究的熱點。工程類比和現(xiàn)場試驗一直是解決這一難題的主要方法，許多學者也用數(shù)值模擬法對此進行了一些有益的探索。比如，模擬爆破開挖對圍巖松動圈的影響[1]，爆破對隧道周邊應力場分布特征的影響[2-3]，但是基于巖體中節(jié)理裂隙面的復雜性，定性研究成果居多，定量結(jié)果偏少。同時，大部分數(shù)值模擬只是對施工情況進行了規(guī)律總結(jié)，沒有很好地反饋施工。

本文基于工程實踐中遇到的困難，采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法對開挖方案進行了比較分析，再結(jié)合現(xiàn)場試驗，最后得出了比較理想的開挖方案，指導了掘進開挖全過程，同時獲得了一些有用的結(jié)論。這一解決問題的過程和得出的結(jié)論可供同行酌情參考。

2 工程概況

本大跨度隧道位于新疆，主洞室總長259m（樁號為Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室開挖后設計凈跨14.36m，高10.6m，埋深112.4～138.4m，軸線角度為北偏西72°?！兜刭|(zhì)勘察報告》顯示整個隧道均處于Ⅳ級[4]圍巖。主洞巖性為褐灰色中粗粒蝕變花崗巖，塊狀構(gòu)造，具輕微糜棱巖化。節(jié)理裂隙發(fā)育，有明顯1～12mm厚泥質(zhì)物充填。巖石主要由云母、正長石、石英及暗色礦物組成。X共軛節(jié)理發(fā)育，第一主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀310°～320°∠65°～75°，第二主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀90°～100°∠5°～10°，致使基巖碎塊多在5～200cm。第三主結(jié)構(gòu)面與隧道軸線平行，產(chǎn)狀198°∠37°。整個項目的工程地質(zhì)狀況變化很少。

3 初次方案定性分析

3.1 初次施工方案遇到的問題

項目部結(jié)合業(yè)主要求，為加快施工進度，同時預知前方工程地質(zhì)詳細情況，確保安全文明施工，采用中下導洞法，二次擴挖成全斷面（見圖1a）。該方法有如下優(yōu)點：（1）下導洞為二次擴挖部分最大限度地創(chuàng)造了臨空面，大大提高了爆破效果；（2）可有效減少二次擴挖部分的炮孔數(shù)量，節(jié)約了雷管、炸藥，經(jīng)濟效果明顯；（3）二次擴挖的巖渣不需要二次倒運，較臺階法施工更方便些，尤其在大斷面隧道施工中，可以充分發(fā)揮大型機械作業(yè)的優(yōu)勢，能有效地加快施工進度。

根據(jù)鉆爆法掘進原設計，詳細施工工序如下：開挖中下導洞（6m×6m）→主洞一次性擴挖到設計開挖面→挖機排險、出渣→噴射混凝土→打設系統(tǒng)錨桿→編織鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土。

擴挖掘進中每一排炮均有掉塊，小塌方不斷，發(fā)生過多次中、大塌方，超欠挖非常嚴重。鑒于開挖后施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿的風險很大，工人不敢進場施工，項目部暫停施工解決問題。

3.2 問題定性分析

根據(jù)工程概況，第一主結(jié)構(gòu)面傾向與隧道擴挖掘進方向基本一致，傾角為70°左右，巖層厚度為0.8m，巖層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。前一排炮爆破掘進后，開挖面前方巖體內(nèi)部的節(jié)理面在爆破振動下張開，再加上下導洞是一個臨空面，巖體就會順第一主結(jié)構(gòu)面向下導洞滑動。因此中下導洞法有2方面缺點：（1）下導洞導致施工過程中掌子面凹凸不平（深淺距離約2m），施工實際布設炮孔偏離設計的要求，偏差很大，甚至存在部分掌子面上不能夠打鉆炮眼，進而導致在爆破以后巖塊的塊度不均勻，使得局部巖體破碎嚴重[8]；（2）掌子面凹凸不平導致炮眼的最小抵抗線方向變化多端，周邊眼爆破過程中爆生氣體和應力波作用方向不容易控制，光面爆破效果不佳，容易造成爆生裂隙，對圍巖的損傷較重。

3.3 問題的初步措施

根據(jù)上述問題，項目部組織召開專家論證會，會議得出了如下意見：（1）為增加開挖面的穩(wěn)定性，頂拱抬高0.8m；（2）加密周邊眼的間距至0.4m；（3）采用4m長超前小導管注漿加固；（4）巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，為增加施工過程的安全性，建議先編織鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土，后施作錨桿。更改后的施工工序如下：主洞一次性擴挖到設計開挖面→挖機排險、出渣→人工排險、第一次噴射混凝土→架立鋼拱架→編織鋼筋網(wǎng)→頂拱第二次噴射混凝土→打設系統(tǒng)錨桿和超前小導管→將系統(tǒng)錨桿和小導管與鋼拱架焊接牢固→第三次噴射混凝土。

采取以上方案后，施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿過程中的安全度顯著提高，但是擴挖后排險出渣的過程中，小塌方和掉塊還是不斷，平均線性超挖值達到了400mm。因此，本文通過定性分析和數(shù)值模擬2種方法，著重對中下導洞法的可行性進行研究。

4 開挖方案的數(shù)值模擬分析

4.1 模擬范圍及參數(shù)

隧道軸線方向為y軸，水平垂直軸線方向為x軸，豎直方向為z軸，進行分析的范圍為115m×120m。雖然從理論上講，三維分析軟件能全面準確模擬開挖的全過程，但是鑒于三維分析模型的圍巖參數(shù)取值較困難，巖體眾多節(jié)理建模較復雜，本文采用二維數(shù)值分析軟件，數(shù)值模擬中不考慮走向與隧道軸線成大角度的第一、二主結(jié)構(gòu)面，只考慮走向與軸線平行的第三主結(jié)構(gòu)面。在數(shù)值模擬中考慮圍巖全部節(jié)理裂隙不現(xiàn)實，本文假設圍巖的性質(zhì)是均勻的，同時不考慮爆破振動對圍巖力學參數(shù)的影響，圍巖的物理力學參數(shù)見表1。采用全長水泥砂漿粘結(jié)型錨桿支護，錨桿選用?22mm螺紋鋼筋，長3m，縱橫間距為1.0m×1.0m；噴射混凝土的厚度為18cm；錨桿和噴射混凝土的物理力學參數(shù)見表2。為方便建模，只考慮與開挖面最近的第三主結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的物理力學參數(shù)見表3。各開挖方案見圖1。

表1 周邊圍巖物理力學參數(shù)[5-6]

圍巖采用摩爾庫倫模型、四邊形單元，結(jié)構(gòu)面采用接觸單元，噴射混凝土采用梁單元，錨桿采用桿單元，真實模擬一個施工循環(huán)過程（導洞開挖→擴挖→打設錨桿+噴射混凝土→噴射混凝土硬化）。僅受自重場作用。統(tǒng)一建立幾何模型，隧道開挖面、錨桿及開挖面附近的單元加密，自動生成四邊形單元。中下導洞法計算模型見圖2。

表2 錨桿和噴射混凝土物理力學參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面的物理力學參數(shù)[7]

4.2 計算結(jié)果

在計算結(jié)果中選擇隧道周邊塑性區(qū)分布情況來分析應力場。由于只考慮自重場的作用，故只選擇頂拱開挖面垂直位移來查看隧道周圍的變形情況。本文分別對中下導洞法、全斷面法、左下導洞法、右下導洞法和上臺階法等的掘進支護施工全過程進行了計算，但是鑒于本文的研究重點是擴挖后開挖面的穩(wěn)定性，在此只討論擴挖后的圍巖松動圈、開挖面變形和周邊應力場的分布。

中下導洞法擴挖后最大主應力見圖3，頂拱開挖面主應力最大值為0.05N/mm2；中下導洞法擴挖后垂向位移見圖4，頂拱沉降最大值為26.6mm。限于篇幅，只羅列其他方案的計算結(jié)果，不列出圖片，數(shù)值見表4。

圖1 開挖方案簡圖

圖2 中下導洞法單元劃分

圖3 中下導洞法第一主應力圖（N/mm2）

4.3 結(jié)果分析

由圖4可知，中下導洞法頂拱三角形區(qū)域（垂向位移大于1cm）的形狀、尺寸與實際塌方體基本一致，因此可得出本文的參數(shù)取值能定性地反映開挖面的實際情況。從3方面考慮，開挖方案的優(yōu)先順序見表5。

圖4 中下導洞法垂向位移（mm）

表4 各方案數(shù)值模擬結(jié)果

表5 開挖方案的優(yōu)先順序

頂拱第一主應力最大值均沒有超過圍巖的抗拉強度0.49MPa，圍巖沒有破壞，這與實際情況不符。這有2方面原因：一是數(shù)值模擬中物理參數(shù)的取值假設巖體是均勻的；二是爆破會造成節(jié)理裂隙的應力集中。因此，從第一主應力角度來看，造成開挖面應力過大的主要原因不是開挖方案而是爆破擾動，可以優(yōu)先選用爆破擾動最小的全斷面開挖方案。

5 方案選定

由表4和表5可知，首先排除各方面條件均不是最佳的中下導洞法和右下導洞法。雖然從數(shù)值計算結(jié)果來看，左下導洞法各方面指標都比較好，是一個可選方案，但是本文二維數(shù)值模擬只考慮第一主結(jié)構(gòu)面，由本文第3.2節(jié)可知，采用下導洞法，第二主結(jié)構(gòu)面對開挖面的穩(wěn)定性影響也很大。因此，建議排除左下導洞法。

全斷面法和上臺階法各方面指標均處于合理區(qū)間，第二、三主結(jié)構(gòu)面對2方案的影響也不大，從施工便利性和經(jīng)濟合理性角度，首先選用全斷面法，其次選用上臺階法。

本項目接下來停止開挖導洞，采用全斷面法光面爆破掘進，施工工序與第3.3節(jié)基本一致，只是缺少了下導洞開挖這一道工序。雖然偶爾還有掉塊，但是掌子面平整度（深淺距離約0.4m）和開挖面安全性顯著提高，采用挖機排險后，頂拱不發(fā)生坍塌，平均線性超挖值已經(jīng)小于150mm。接下來單方向掘進月進尺約70m，按計劃完成了掘進支護工作。

6 結(jié)論

本文結(jié)合Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道掘進中遇到的困難，采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法提出了可行方案，解決了問題，最后整理得出了如下結(jié)論：

（1）與導洞法和臺階法相比，全斷面法只對圍巖擾動一次，可以很好地控制開挖面主應力和圍巖變形。只要控制好周邊眼的間距，加以超前小導管注漿等輔助措施，在Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道中同樣可以采用全斷面法掘進。本項目一次平均進尺2m。

（2）數(shù)值模擬可以在節(jié)理裂隙發(fā)育的山嶺隧道開挖方案比較中得到應用。由于很難真實模擬整座山，模型得出的數(shù)據(jù)不一定與實際一致，但是模型能得出與實際類似的規(guī)律，且能對各方案的優(yōu)劣性進行比較，結(jié)合現(xiàn)場試驗，就能指導工程少走彎路。

（3）Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道中遇到主結(jié)構(gòu)面的傾向與隧道掘進方向一致的情況，建議不采用下導洞法，提議采用全斷面法或上臺階法光面爆破掘進。

[1] 余永強,路耀邦,楊小林,等.翔安海底隧道爆破開挖圍巖松動圈數(shù)值模擬及測試分析[J].金屬礦山,2011（8）:53-59.

[2] 龍源,馮長根,徐全軍,等.爆破地震波在巖石介質(zhì)中傳播特性與數(shù)值計算研究[J].工程爆破,2000,6(3):1-7.

[3] 劉招偉.爆破動靜應力場對隧道的穩(wěn)定分析[J].世界隧道,2000(4):65-67.

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[5] 林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].遼寧:遼寧科學技術(shù)出版社,1996.

[6] 林宗元.巖土工程試驗監(jiān)測手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[7]長江水利委員會長江科學院.GB 50218-94工程巖體分級標準[S].北京:中國計劃出版社,1995,17.

[8] 李偉,方正,劉文進.切縫藥包爆破技術(shù)在提高軟巖隧道爆破效果中的運用[J].工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟,2009（11）:7-8.