基于特長隧道圍巖穩(wěn)定性分析的施工開挖方法

陳正清

（云南德孟高速公路投資開發(fā)有限公司工程處）

1 工程概況

本方法托于云南永德（鏈子橋）至耿馬（勐簡））高速公路幫福隧道機(jī)械化快速施工為研究基礎(chǔ)，永勐高速公路幫福隧道是本項(xiàng)目控制性工程，隧道長達(dá)8.2 km，為超長公路隧道，擬采用大型機(jī)械化配套，全面實(shí)施機(jī)械化快速施工。主線按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)車速為80km/h，公路-I 級，設(shè)計(jì)使用年限為100a，隧道建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m；通過現(xiàn)場踏勘、專家咨詢以及掌子面圍巖穩(wěn)定性初步判定目前幫福隧道施工現(xiàn)場已具備機(jī)械化施工的基本條件，隧道進(jìn)口右洞，掌子面圍巖為IV 級圍巖，圍巖較完整，穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場采用全斷面開挖，作業(yè)空間大具備利用多臂鑿巖臺車進(jìn)行鉆爆施工的有利條件[2]。

2 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 擬建數(shù)值模型

根據(jù)幫福隧道掌子面目前的IV 級圍巖情況，建立三維數(shù)值模型，圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70-2010 取值。通過數(shù)值模擬，分析掌子面的圍巖穩(wěn)定性、開挖進(jìn)尺及管棚的支護(hù)效果等，數(shù)值模型如圖1a 和圖1b 所示。計(jì)算工況包括：IV 級圍巖在未做超前支護(hù)條件下開挖進(jìn)尺時(shí)的穩(wěn)定性分析，IV級圍巖施做管棚條件下的穩(wěn)定性分析。

圖1 三維數(shù)值模型

2.2 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

1）初期支護(hù)受力狀態(tài)

在進(jìn)行隧道開挖時(shí)，分析初期支護(hù)受力及變形狀態(tài)需要考慮兩個階段：①開挖完成后剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)的受力狀態(tài)，②下一進(jìn)尺開挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，以及開挖對初期支護(hù)的影響。

如圖2a 和圖2b 所示，開挖完成后剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力為769 kPa。同時(shí)，最小主應(yīng)力為6.60 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

如圖3a 和圖3b 所示為開挖完成后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力為1.27 MPa，位于隧道拱頂區(qū)域，存在局部受拉。同時(shí)，最小主應(yīng)力為6.63 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

圖2 剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

圖3 下一進(jìn)尺開挖完成后初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

圖4 開挖完成后圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

圖5 下一進(jìn)尺開挖完成時(shí)圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

圖6 開挖完成后掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

圖7 剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

2）圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

在進(jìn)行隧道開挖時(shí)，分析圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變需要考慮兩個階段：①開挖完成后圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變，②下一進(jìn)尺開挖完成后圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變。

如圖4a 和圖4b 所示為開挖完成后圍巖的位移和等效塑性應(yīng)變云圖，由（a）可得隧道會發(fā)生不明顯的拱頂沉降和底部隆起，最大豎向位移為0.99 mm。同時(shí)，隧道最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.24×10-3，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腳附近區(qū)域。總體來看，圍巖位移較小，圍巖的等效塑性應(yīng)變較小。

如圖5a 和圖5b 所示為開挖完成后圍巖的位移和等效塑性應(yīng)變云圖，由圖5a可得隧道會發(fā)生不明顯的拱頂沉降和底部隆起，最大豎向位移為1.36 mm；同時(shí)隧道最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.36×10-3，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腰區(qū)域。

3）掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

在進(jìn)行隧道開挖時(shí)，分析掌子面的變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變只考慮一個循環(huán)內(nèi)開挖完成后圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變。

如圖6a 和圖6b 所示為開挖完成后掌子面的位移和等效塑性應(yīng)變云圖，可見掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為1.33 mm，位于掌子面中間區(qū)域。同時(shí)，掌子面的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.14×10-4，等效塑性應(yīng)變位于掌子面中下區(qū)域。

3 圍巖開挖方法

3.1 全斷面開挖（超前管棚）

1）初期支護(hù)受力狀態(tài)

如圖7a 和圖7b 所示，開挖完成后剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力有828 kPa。同時(shí)，最小主應(yīng)力為6.34 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

如圖8a 和圖8b 所示為下一進(jìn)尺開挖完成后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力為814 kPa，位于隧道拱頂區(qū)域，存在局部受拉。同時(shí)，最小主應(yīng)力為6.46 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

2）掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

在進(jìn)行隧道開挖時(shí)，分析掌子面的變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變只需要考慮開挖完成后圍巖變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變。

如圖9a 和圖9b 所示，開挖完成后掌子面的位移和等效塑性應(yīng)變云圖，可見掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為0.73 mm，位于掌子面中間區(qū)域。同時(shí)，掌子面的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.96×10-4，等效塑性應(yīng)變位于掌子面中間區(qū)域。

3）管棚變形狀態(tài)及最大主應(yīng)力分布

如圖10a 和圖10b 所示，開挖完成后管棚的位移和最大應(yīng)力分布云圖，可見掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為0.72 mm，位于掌子面的前方的區(qū)域。同時(shí)，管棚的最大主應(yīng)力為1.76 MPa，位于掌子面的正上方區(qū)域。

3.2 微臺階開挖（超前管棚）

1）初期支護(hù)受力及變形狀態(tài)

如圖11a 和圖11b 所示，開挖完成后剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力為1.25 MPa。同時(shí)，最小主應(yīng)力為14.9 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

如圖12a 和圖12b 所示，下一進(jìn)尺開挖完成后初期支護(hù)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖，可見最大主應(yīng)力為1.25 MPa，位于隧道上臺階開挖后形成的拱腳區(qū)域，存在局部受拉。同時(shí)，最小主應(yīng)力為14.9 MPa，位于隧道兩側(cè)拱腳區(qū)域。

2）掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

如圖13a 和圖13b 所示，開挖完成后掌子面的位移和等效塑性應(yīng)變云圖，可見掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為7.31 mm，位于掌子面中間和上臺階區(qū)域。同時(shí)，掌子面的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.77×10-3，等效塑性應(yīng)變位于掌子面上臺階開挖后形成的轉(zhuǎn)角區(qū)域。

3）管棚變形狀態(tài)及最大主應(yīng)力分布

如圖14a 和圖14b 所示，開挖完成后管棚的位移和最大應(yīng)力分布云圖，可見掌子面的位移呈現(xiàn)出由開挖輪廓線向內(nèi)逐漸增大的趨勢，最大位移為4.39 mm，位于開挖面的上方區(qū)域。同時(shí)，管棚的最大主應(yīng)力為34.67 MPa，位于管棚端部的搭接區(qū)域[3]。

4 結(jié)語

圖8 下一進(jìn)尺開挖完成后初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

圖9 開挖完成后掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

圖10 開挖完成后管棚變形狀態(tài)及最大主應(yīng)力分布云圖

圖11 剛施做初期支護(hù)時(shí)初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

圖12 下一進(jìn)尺開挖完成后初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)

圖13 開挖完成后掌子面變形狀態(tài)及等效塑性應(yīng)變

圖14 開挖完成后管棚變形狀態(tài)及最大主應(yīng)力分布云圖

綜上所述，IV 圍巖條件下拱腳區(qū)域容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，該區(qū)域的圍巖會發(fā)生局部塑形變形，建議做好鎖腳錨桿并注漿加固拱腳區(qū)域的圍巖。此外，進(jìn)行微臺階開挖時(shí)，圍巖及初支在拱腳區(qū)域也容易出現(xiàn)較大應(yīng)力和變形，建議加強(qiáng)鎖腳錨桿的注漿設(shè)計(jì)，預(yù)防拱腳失穩(wěn)。超前管棚可以有效控制圍巖的變形，縮小圍巖的塑形范圍；同時(shí)IV 圍巖段采用全段面機(jī)械化施工時(shí)，掌子面施工對于掌子面后方的影響的距離約為60m，超出影響的范圍以外的段落，圍巖基本能夠趨于穩(wěn)定，因此二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)可以施工組織方案確定合理的步距。