全斷面法和微臺階法對大斷面隧道Ⅲ級圍巖適用性研究

張傳智 侯羿騰 張輝傲 羅剛 袁彬 徐凡獻

隨著信息化和機械化隧道施工技術的突破和實施，深埋大斷面隧道Ⅲ級圍巖的創新工法值得深入探討與研究。文章依托鄭萬高鐵向家灣隧道工程，基于現場調查、隧道施工過程中圍巖地質信息編錄和巖體力學參數測試，采用Flac3D軟件分析了不同開挖方式（全斷面與微臺階）及開挖進尺條件下，圍巖的變形特征和破壞模式。結果表明，全斷面開挖法相比微臺階法更適用于深埋大斷面隧道Ⅲ級軟弱圍巖，拱頂圍巖變形較大，但不會出現塌方危險。在全斷面開挖工況下，圍巖變形量與開挖進尺呈正相關;同時全斷面法更可以有效減少對周圍巖體的擾動，有利于初期的支護和圍巖之間的協調變形。

深埋大斷面隧道; Ⅲ級圍巖; 開挖; 圍巖穩定性; 數值模擬

U455.41+2?? A

[定稿日期]2021-03-08

[基金項目]國家自然科學基金（項目編號：41402266，41672283）;國家重點研發計劃（項目編號：2018YFC1505404-2）;四川省交通廳科技計劃（項目編號：2021YJ0033）

[作者簡介]張傳智（1993～），男，碩士，研究方向為巖土。

1 長大深埋隧道施工研究

隨著鐵路工程逐漸由中東部向西部山區轉移，長大深埋山嶺隧道越來越多，隧道工程設計和施工的要求也越來越高。當隧道穿越軟弱破碎巖層、斷層破碎帶和膨脹性巖層，如果施工方法處理不當，隧道拱頂會出現彎折內鼓，破裂掉塊，甚至大面積塌方[1]。

近年來，國內外學者針對不同地質條件及施工方法下的軟弱圍巖變形機理、控制技術及治理措施開展了大量的研究。張國茂[2]將圍巖穩定性影響因素分為兩類：一類是地質因素，另一類是人為因素。其中地質因素中包括巖土體結構特征、巖土體工程性質、地質構造、圍巖的初始應力狀態、地下水的作用等，人為因素包括設計參數、施工因素等。除了圍巖本身地質條件、水文條件、初始應力和力學特性，不同開挖方式對圍巖穩定性影響十分顯著。如何選擇合理的開挖方式，盡可能保持巖體的初始狀態，從而提高圍巖的穩定性是一個非常復雜的問題。夏潤禾等[3]對軟弱圍巖大斷面鐵路隧道臺階法的原理、適用范圍及工藝流程等進行了詳細介紹。張民慶等[4]研究了臺階高度和長度對圍巖變形的影響。

在隧道實際施工中，如果開挖進尺過短，會增加建設時間和成本;反之，則可能引起隧道掌子面和洞身變形過大。然而實際操作中，施工單位往往根據工程經驗來確定開挖進尺，表現出較大的隨意性和盲目性。目前，學者通過理論和數值計算方法提出了更合理的開挖進尺。王志達等[5]基于普氏平衡拱理論和太沙基松散介質理論，推導了用于均質土和成層土隧道的開挖進尺計算公式。黃鋒和朱合華[6]采用有限元數值模擬軟件分析了全斷面法不同開挖進尺條件下的圍巖及地表位移響應規律。

本文以鄭萬高鐵向家灣隧道為工程實例，采用FLAC3D模擬軟件分析了全斷面和微臺階開挖工況下Ⅲ級軟弱圍巖的變形特征和破壞模式，以及開挖進尺對圍巖穩定性的影響。該研究對指導軟弱圍巖隧道安全施工具有實際意義。

2 向家灣隧道地質概況

向家灣隧道是鄭萬（鄭州—萬州）高速鐵路控制性隧道之一，全長4 563.24 m，最大埋深約1 025 m，隧道采用30 ‰單面上坡，走向240°（圖1）。開挖方式為全工序大型機械化和信息化配套全斷面法和微臺階法。

隧道穿越地層以緩傾角砂巖、灰巖、碳質頁巖為主，層面產狀200°～230°∠5°～12°（圖2）。

試驗段（D2K582+726D2K582+770）埋深610 m，圍巖受節理切割，完整性較差，飽和抗壓強度界于46～58 MPa，完整性系數界于0.81～0.88。施工過程中圍巖無水滲漏，按照BQ法，地下水影響修正系數K1取0.1。控制性結構面主要為巖層面，走向與洞軸線夾角α為130°>60°，傾角β為10°，且巖層面傾向與掘進方向同向，軟弱面產狀影響修正系數K2取0.2。試驗區垂直隧道洞身的最大主應力為4.95 MPa，Rc/σmax約為10，初始應力狀態影響修正系數K3取0.5。圍巖BQ評分值為352～369（表1），原分級為Ⅲ級軟巖，亞分級為Ⅲ2級[7]。3 室內試驗

為了分析向家灣隧道Ⅲ級圍巖的破壞特征，并為數值模擬提供準確的強度參數參考。在隧道試驗段Ⅲ級圍巖（D2K582+726 - D2K582+770）內采集灰巖，將其加工成50 mm，高100 mm的標準試樣（圖3），分別進行點荷載和單軸抗壓實驗。

在點荷載試驗中，對于均一、完整且無明顯裂隙的試樣，當荷載超過點荷載強度，巖石瞬間開裂，表現為脆性張拉破壞，破裂面整體較平直見圖4（a）。對于含有細小裂隙、無貫通性結構面的試樣，當荷載超過點荷載強度，先于試塊兩端產生張拉破壞。裂縫在擴展過程中遇到微小裂隙，將發生剪切滑移，產生不通過加載點的破壞面見圖4（b）。對含軟弱結構面的試樣，垂直于結構面均勻增大荷載加載，試件表面首先產生層裂剝落。在剝落多層之后，巖塊變薄，加載點間距變小，巖塊沿荷載方向瞬間張拉破壞見圖4（c）。

在飽和單軸壓縮試驗中，試樣均發生脆性破壞。與點荷載試驗類似，當試樣均一無微小裂隙，破壞模式為剪切破壞;當試樣含有微小裂隙，破壞模式為張拉和剪切的復合;當試樣含有軟弱結構面，破壞模式為沿著結構面的張拉破壞（圖5）。

匯總實驗數據（表2），向家灣隧道試驗段灰巖（P1q）的飽和點荷載強度為3.8～5.0 MPa，飽和單軸抗壓強度介于30～60 MPa范圍內，滿足Rc=21.88Is0.74（50）的函數關系，相關系數為0.9716，屬于較硬巖。

4 數值模擬

本文采用FLAC3D分別對微臺階法和全斷面法條件下，Ⅲ級圍巖的應力應變狀態和破壞方式進行模擬分析。基于大型機械化配套條件的微臺階法和全斷面法有利于縮短工期、降低勞動力強度和提高經濟效益，值得深入探索其適用性及實施原則。

4.1 模型建立

選擇向家灣隧道D2K582+726.0～ D2K582+770區段灰巖（Ⅲ級圍巖）作為模擬對象，構建三維地質模型（圖6）。X方向為隧道掘進方向，長度44 m;Y方向垂直于掘進方向，長度96 m;Z方向與重力方向相反，長度700 m。計算模型的前后左右施加法向約束，底部施加豎向約束，上表面為自由表面。根據前期勘察報告和室內試驗結果，巖體力學參數如表3所示。拱頂位置布置1個監測點，兩側的拱墻布置4個監測點（圖6）。

4.2 開挖方法模擬結果分析

4.2.1 全斷面開挖

對全斷面法的不同開挖進尺工況（3 m、4 m和5 m）進行數值模擬，得到隧道不同斷面圍巖的位移云圖和塑性區（圖7～圖10）。

由圖7可知，全斷面法開挖5 m時，距掌子面5 m處洞身收斂為3.2 mm;開挖4 m時，距掌子面4 m處洞身收斂為1.1 mm;開挖3 m時，離掌子面越遠，洞身收斂越大，且洞身水平收斂最大值僅為2.5 mm。

由圖8可知，全斷面法開挖3 m時，離掌子面越遠，拱頂沉降越大，且此時拱頂沉降最大值僅為8.1 mm;開挖4 m時，距掌子面4 m處拱頂沉降僅為12.5 mm;在開挖進尺5 m，距掌子面5 m處拱頂沉降僅為22.3 mm。

由圖9可知，全斷面法開挖3 m時，掌子面位移最大值僅為8.3 mm;開挖4 m時，掌子面處位移最大值僅為0.5 mm;開挖5 m時，掌子面位移最大值僅為2.3 mm。

結合隧道不同斷面圍巖的位移云圖（圖7～圖9）以及相應的圍巖塑性區云圖可得：全斷面法開挖3 m時，拱頂處于穩定狀態;開挖4 m時，此時拱頂處于較穩定狀態;全斷面法開挖5 m時，拱頂處于欠穩定狀態，如果不及時進行支護，在節理裂隙的切割和巖體自重作用下，可能會發生頂部掉塊現象，但是不會出現整體垮塌破壞。

4.2.2 微臺階法開挖

對微臺階法的不同開挖進尺工況（3 m、4 m和5 m）進行數值模擬，得到隧道不同斷面圍巖的位移云圖（圖11～圖14）。

由圖11（a）、圖12（a）和圖13（a）可知，微臺階法開挖5 m時，距掌子面5 m處變形最大，洞身收斂僅為3.8 mm，拱頂沉降僅為21.2 mm，掌子面位移最大值僅為4.8 mm。結合圍巖塑性區分布見圖14（a），說明拱頂處于較穩定狀態。

由圖11（b）、圖12（b）和圖13（b）可知，微臺階法開挖4 m時，距掌子面4 m處變形最大，洞身收斂僅為3.5 mm，拱頂沉降僅為23.3 mm，掌子面位移最大值僅為5.5 mm。結合圍巖塑性區分布見圖14（b），說明拱頂處于較穩定狀態。

由圖11（c）、圖12（c）和圖13（c）可知，微臺階法開挖3m時，洞身收斂最大值僅為2.2 mm，拱頂沉降最大值僅為8.5 mm，掌子面位移最大值僅為6.2 mm。結合圍巖塑性區分布見圖14（c），說明拱頂處于穩定狀態。

根據不同開挖進尺條件下全斷面法與微臺階法的數值模擬結果，得到圍巖各方向位移量（表4、圖15）。

分析和對比表4和圖15，得到如下結論：

（1）對于向家灣隧道Ⅲ級圍巖，拱頂位移>掌子面位移>邊墻位移;

（2）圍巖位移隨著開挖進尺增大而增大;

（3）開挖進尺為3 m時，全斷面法和微臺階法造成圍巖位移差異極小;開挖進尺為4 m和5 m時，全斷面法圍巖位移大于微臺階法圍巖位移，圍巖穩定性降低;

（4） 微臺階法預留了底部核心土，有效減少了隧道圍巖頂底部變形，但由于2次擾動，邊墻和掌子面變形大于全斷面法的情況;

（5）全斷面施工更有利于初期支護和圍巖之間的協調變形，但需要加強對拱頂的監測并及時支護。

5 現場調查

在向家灣隧道試驗段（D2K582+726 - D2K582+770）實際施工中，使用了全斷面工法開挖Ⅲ級圍巖，開挖進尺為5 m。掌子面、拱頂、拱肩、拱腳和仰拱均處于穩定狀態（圖16），未出現明顯破壞現象。

根據向家灣隧道邊墻、掌子面、拱頂的實測位移數據（表5和圖17），與數值模擬結果較為一致。說明5 m開挖進尺能夠保證圍巖穩定性。

6 結論

本文通過野外調查、室內試驗、理論分析和數值模擬，對不同開挖方式和不同進尺條件下，隧道圍巖穩定性進行了研究。得出以下結論：

（1） 向家灣隧道試驗段（D2K582+726 - D2K582+770）埋深610 m，開挖斷面147 m2，灰巖飽和抗壓強度界于46～58 MPa，完整性系數界于0.81～0.88，圍巖BQ評分值為352～369，原分級為Ⅲ級軟巖，亞分級為Ⅲ2級。

（2） 全斷面法和微臺階法條件下，均為圍巖拱頂變形量最大;圍巖變形量與開挖進尺呈正相關，即開挖進尺越大，圍巖變形越大。

（3） 微臺階法預留了底部核心土，有效減少了隧道圍巖頂底部變形，但由于二次擾動，邊墻和掌子面變形大于全斷面法的情況。全斷面法有效減少對周圍巖體的擾動，有利于初期的支護和圍巖之間的協調變形。

（4） 基于大型機械化信息化配套施工技術，全斷面開挖適用于Ⅲ級圍巖大斷面隧道建設。但需進行試驗確定最優開挖方法，開展地質綜合預測預報，并提高信息化監測的頻率和精度。

參考文獻

[1] 吳曉， 吳宜進. 基于灰色關聯模型的山地城市生態安全動態評價—以重慶市巫山縣為例[J]. 長江流域資源與環境， 2014， 23（3）：385-391.

[2] 張國茂. 地鐵隧道圍巖穩定性影響因素的分析[J]. 科技視界， 2016（10）：199-201.

[3] 夏潤禾， 許前順. 軟弱圍巖地質大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工工法[J]. 鐵道標準設計， 2010（S1）：108-114.

[4] 張民慶， 何志軍， 黃鴻健，等. 鐵路隧道安全施工幾個關鍵問題的研究與探討[J]. 鐵道工程學報，2013（11）：69-74.

[5] 王志達，龔曉南.淺埋暗挖人行地道開挖進尺的計算方法[J].巖土力學，2010，31（8）：2637-2641.

[6] 黃鋒，朱合華.開挖進尺對大斷面隧道變形的影響[J].鐵道建筑，2013，（8）：56-59.

[7] GB/T 50218 - 2014 工程巖體分級標準[S].

2273500520384