隧道穩定性和施工優化工藝

鄭燾宇

分析某公路工程隧道施工情況，選擇數值模擬對現場情況進行監測，探討相向施工時針對隧道圍巖出現變形、塑性區圍巖擴展情況，提出相應的支護對策。結果發現減小兩側掌子面的間距，會降低圍巖的穩定性，同時也會加強巖體的變形程度。如掌子面小于20M，要及時停止掌子面的施工，采取改超前小導管支護結合超前全斷面帷幕注漿的支護方法，從而保證隧道的穩定性。

隨著我國公路工程建設規模的不斷擴大，隧道施工情況也逐漸出現各種巖體碎裂情況。為了保證工程施工進度，隧道工程施工中普遍采取相向開挖的方式，但是在臨近貫通部分很容易出現擾動疊加情況，從而擴大巖體節理碎裂情況，造成掌子面出現拱頂塌落或是滑塌情況。而且目前關于隧道施工的穩定性和施工的優化都還存在很大問題，所以，本文將會針對某公路工程隧道施工采取相向施工情況，根據圍巖變形的情況和應力分布特點，采取更加優化的支護控制對策，為淺埋隧道復雜地址相向施工提供一定的經驗和技術指導。

1 工況概述

某公路工程項目，線路往東南方向布設，起訖粧號K53+900?K57+825，路線長3.925km，其中特大橋721.2m/0.5座、大橋908.6m/2座、隧道1313.5m/3座、主線涵洞4道，設樞紐互通式立交1處（匝道橋7座、圓管涵1道），路基挖土石方941260m3、填筑土石方824713m3。工程于2012年7月20日開工、2014年7月19日竣工。

該項目隧道工程施工范圍節理圍巖裂隙發育，自身穩定性很強，而且工期緊張、工程量比較大，該隧道是整個工程的全線貫通拉通架梁通道的重點，也是減少施工工程周期的重要部分。一般為了縮短工期，都是采取兩端相向的方式進行施工，支護方案是臨近貫通和普通段支護兩種方式。

1.1 臨近貫通段支護方式

在臨近隧道相向貫通施工中，隨著施工的繼續，向量施工兩側掌子面距離會逐漸尖端，出現隧道擾動疊加情況，這是產生的變形應力也會變大，所以，需要加強該部分的支護強度，從而保證兩端掌子面土體的穩定性，這里選擇拱頂超前小導管支護+全斷面超前注漿帷幕結合的方式，見圖1。

具體加固參數是：

（1）臨近貫通段選擇42超前小導管長3.5m，外插角是15，排距是2m，環距是0.4m，這樣可以加強上方拱頂土體的剛度；

（2）選擇掌子面超前全斷面帷幕注漿技術在臨近貫通部分，掌子面注漿范圍前方是8m范圍，掌子面施工主要是針對裂縫填充為主，這樣可以避免在開挖隧道中出現臨近貫通部分室溫滑移情況。

對該項目隧道施工采取兩邊相向隧道施工，一般在施工中兩端掌子面相距較遠的情況下，采取普通段支護方式。如果是兩端臨近貫通掌子面疊加施工，會產生劇烈的擾動，也會擴大中間巖柱體原來的裂隙，隨著變形的掌子面不斷擴大，選擇臨近貫通段方式進行支護非常方便。為了明確相向施工隧道掌子面在什么距離可以采取臨近通斷支護方法，這里需要對不同掌子面距離進行模擬，從而保證實際施工的穩定性。

1.2 普通段支護方式

該項目隧道是單線單洞馬蹄斷面，高是6.7m，跨度是5.8m，這里選擇礦山法臺階法進行施工，支護選擇錨噴、復合式結構襯砌。因為該部分隧道軍事節理發育，很容易出現碎裂情況，需要做好之后。根據該隧道的斷面情況和地質特征可以明確選擇普通的支護方式：初期選擇錨噴網支護的方式，混凝土C25噴射土厚是250mm；全場選擇粘結性錨桿砂漿，布置成梅花形1.2m×l.2m，長度是2.5m；選擇防水鋼筋C45混凝土進行二次襯砌，對模板整體臺車進行淺筑，厚度是300mm。支護方式如圖1（a）。

2 相向施工穩定性控制數值分析

2.1 分析計算工況

進行向量臨近隧道貫通施工，會隨著掌子面施工長度的增加，兩端施工掌子面擾動會出現疊加，這會給圍巖穩定造成更大的威脅，所以，在兩端掌子面快要接近的位置，需要采取有效對策，改變普通的支護方式，選擇臨近貫通段支護，需要先停止一端開挖工作，對另外一端進行開挖。在實際施工中，可以采取不同距離施工，分別是5m，10m，20m，30m，40m，關于施工情況見表1。

在達到一定距離的工況后，需要停止一端隧道的開挖，另一端選擇貫通段臨近支護方法進行開挖，同時也要注意圍巖隧道不同的施工情況下地表沉降、移場、重要隧道位置應力分布和塑性圍巖區域的發展情況，明確最有的工況。

2.2 建立計算模塑

為了更好解決相向隧道施工疊加擾動情況，這里需要針對隧道建立長型縱向數值模型，隧道埋深是23M，模型尺寸是70m×l00m×60m。邊界模型上邊界是自由面，地面是豎向約束的周圍是被水平約束的。

圍巖隧道模型通過Mohr-Coulomb建立彈塑性數據分析，對于支護建設和二次襯砌情況需要建立實體單元，超前注漿支護和帷幕都要根據加固圍巖力學參數進行模擬，并建立錨桿cable相關單元。計算三維建立的模型見圖2.關于物理底層力學參數見表2.

2.3 計算結果分析

2.3.1 分析塑性圍巖區

（1）建立隧道塑性取，主要是針對拱肩和拱腳的分布，因為這兩個位置初支護結構應力比較集中，承載力較大（圖3），在受到這些力的影響后圍巖會出現大面積剪切塑性破壞情況，對于該部分需要做好支護，同時加固注漿。

（2）隨著兩側施工的掌子面長度增大，圍巖塑性面積會逐漸減少，在距離小于20m后，拱腳和拱肩也可能會出現塑性剪切，這表明圍巖破裂會受到施工的影響變小，也就是說相向施工疊加情況不會對其產生作用。

2.3.2分析圍巖位移場關于工況3和4隧道圍巖開挖為移云圖見圖4，從圖中可以看出：

（1）工況2掌子面兩側相距10m左右沉降最大量是27.48mm，而且已經基本貫通拱頂變形，中間巖柱體卻因為劇烈的擾動出現的變形，這表明選擇原來普通段的支護措施，很容易造成開挖面出現拱頂坍塌和失穩情況。

（2）在臨近貫通處相向開挖隧道圍巖最大的位移是拱頂部位，拱底也出現了低鼓情況。

（3）在工況4中，兩側掌子面距離是30m，沉降量最大是10.45mm，相比工況2明顯減少了62%，巖柱體中間圍巖沒有出現連續性變形，這說明相向施工在這段距離中會造成巖體裂隙沒有貫通，這時可以選擇普通的支護方式。

2.3.4 分析關鍵隧道主應力位置在隨著初支結構中比較容易出現應力過度集中的是拱腳、拱肩、拱頂和拱底4個位置，所以，這里選擇主應力集中的4個位置，進行初支結構應力特征分析，主應力最大分布情況，見圖5。

（1）在初支5種工況下主要的4個重要位置結構最小和最大主應力是壓應力，拱腳位置和拱肩位置的應力過于集中，拱腳和拱肩最大應力、位置最小比其他位置要大，這表明隧道中碎裂巖層施工時，很容易出現初支結構被破壞情況。

（2）工況2和工況1最小和最大主應力比其他工況要大，這是因為兩側掌子面工況下距離比較接近，因為疊加施工產生較強的劇烈擾動，從而增加了初支的結構應力，加快了圍巖的變形。

（3）初支工況主應力3，4，5結構的比較分布一致，再相向開挖隧道掌子面兩側距離如果大于20m，那么主應力初支結構為比較穩定，也說明該距離超過20m，選擇普通段支護方式也是可行的。

3 現場檢測分析

根據上述分析，在京臺線建麗至閩侯高速公路（南平段）建設中采取上述的支護和開挖方式，在靠近貫通面現場兩幫、拱頂、拱底位置進行2個月監測，監測數據見圖6.根據圖6得到：

（1）初支開挖隧道不斷變形會結構增大，基本會保持在25d后平穩，兩側隧道的收斂性比較大，而拱頂沉降會減小，主要因為進行超前小導管注漿是拱頂部位在加固中出現碎裂情況，給其自穩能力造成影響。

（2）60d后拱頂斷面沉降量逐漸在9mm量穩定，收斂量是12.3m.底鼓量是2.4mm，這和模擬數值結構相吻合，表示本文計算數值具有可行性。

對于隧道較長的施工情況，如果地址比較復雜，而且在一定的工期內可以選擇關鍵節點，采取兩邊相向施工，可以有效縮短施工工期。隨著施工相向隧道掌子面距離減少，圍巖的文性和變形成都會增加，這是需要加強支護保證安全。