大型機械施工時隧道圍巖穩定性分析

摘要：為進一步提高隧道施工的效率，大型機械配套設備全斷面施工的方式也不斷發展，而針對大斷面一次性開挖過程中的隧道圍巖穩定性進行分析就顯得至關重要。文章依托某大型機械一次性全斷面開挖隧道工程，選用FLAC 3D軟件對其穩定性進行分析，并根據實際工況進行開挖施工仿真計算分析。通過將計算結果與現場監測結果進行對比，得到如下結論：（1）該隧道未支護時的安全系數為2.02，簡單初支后的安全系數為2.55，增大了26.24%，穩定性得到了大幅的提升；（2）隧道開挖數值仿真計算中，各特征點位監測值結果均符合規范要求，較現場監測結果略小；（3）根據大型機械施工時現場監測結果可知，各監測值變化規律基本一致，其最終值均在設計強度和規范要求范圍內，圍巖整體穩定性良好。

關鍵詞：大型機械施工；大斷面隧道；圍巖穩定性分析；FLAC 3D；現場監測

中圖分類號：U451.+2 A 38 135 4

0 引言

隨著我國交通事業的發展，隧道占比不斷增加，其建設向著機械化、信息化的方向不斷發展，對建設質量和建設效率的要求也不斷提高，選用大型機械配套設備進行施工的方式不但可以優化施工環境，同時也保障了施工質量，具有很大的使用價值和應用前景，但其對隧道圍巖穩定性的影響尚不明確，對此大量學者進行了研究。劉科［1］對采用大型機械和鉆爆法修建的某實際工程長大山嶺隧道進行現場試驗，認為形變壓力計算方法更適合該隧道結構設計，掌子面超前主動支護更能確保圍巖穩定性。張國偉等［2］針對隧道機械化施工的需求，根據現場試驗和數值分析對折疊式鋼桁架進行了優化，提高了其安裝質量和效率。黃維科等［3］考慮到規范要求的Ⅳ級圍巖施工步距無法滿足大型機械施工要求，對某采用大型機械施工的工程實例選用動態優化安全步距的方式，結果表明，圍巖初支后，可適當增大安全步距，使其既滿足大型機械施工要求，又能保障圍巖穩定性。童建軍等［4］運用極限平衡法推導了3種適合機械化施工的大斷面隧道的超前支護措施及相應參數，并在實際工程中進行應用，證明了該方法的合理性和實用性。常舒等［5］基于某工程實例，運用FLAC 3D有限差分軟件對機械化施工隧道的地表沉降和初支變形進行施工仿真分析，深入研究其變形規律。王志龍等［6］通過對實際監測結果進行曲線回歸分析和數值仿真模擬的方式，確定了大斷面隧道機械化施工時，二次襯砌與掌子面最適宜的理論距離。

1 圍巖變形數值仿真

本文依托某實際隧道工程，該工程處于丘陵地區，采用以三臂鑿巖臺車為基礎的全套大型機械化設備進行全斷面機械化施工，采用爆破開挖的方式進行，一次性開挖斷面大，施工難度大、風險性高，極易出現圍巖變形過大導致整體失穩的情況［7］，故需對其進行深入研究分析，對該工程在施工及運營過程中的安全性提供一定的技術依據。

1.1 基于強度折減法的圍巖穩定性分析

圍巖主要有剪切和拉裂兩種破壞模式，考慮到隧道主要以受壓為主，而強度折減法可以反映圍巖因受壓而導致的抗剪強度降低的特征，符合其實際受力情況，因此可選用該方法對隧道圍巖的穩定性進行分析，其原理如式（1）、式（2）所示。

c′=cFs（1）

tanφ′=tanφFs（2）

式中：Fs——隧道圍巖的強度折減系數。

強度折減法判斷圍巖失穩的依據一般有三種，分別為隧道圍巖塑性區域貫通、隧道圍巖穩定性計算無法收斂和隧道圍巖特征位置位移發生突變。考慮到塑性區貫通會導致所得強度折減系數偏小，圍巖計算不收斂主要依靠人為主觀確定，故而本文選用特征位置位移發生突變來判斷隧道圍巖的穩定狀態。

選用FLAC 3D軟件進行仿真模擬。根據工程實際情況，設置模型總尺寸為120 m×1 m×87 m，其中隧道跨度為14.7 m，高度為12.23 m，埋置深度為30 m，設置進行位移監測的特征位置如下頁圖1所示。隧道選用0.25 m厚的C30混凝土進行初支，0.45 m厚的C35混凝土二襯，但考慮到安全儲備的需要，本文僅對隧道毛洞和初支時的穩定性進行分析。圍巖和初支模型均選用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，其材料參數如下頁表1所示。

未支護隧道在不同強度折減系數Fs下的豎向位移和水平位移如圖2所示。由圖2可知，隨著強度折減系數的增大，各監測點的豎向位移和水平位移均逐漸增大。當Fs較小時（Fs在1.00～1.75范圍內），各個監測點的豎向位移、水平位移變化情況基本一致，其值也十分相近；當Fs值逐漸增大，各個監測點的豎向位移值和水平位移值逐漸出現差異；當Fs＞2.02時，各個監測點的豎向位移值和水平位移值發生突變，增大明顯。故可確定未支護隧道的圍巖安全系數為2.02。而根據圖2中位移值變化規律可知，拱頂和拱肩的豎向位移對強度折減系數的變化比較敏感，而拱腰和邊墻的水平位移對強度折減系數的變化比較敏感，故而在大型機械全斷面法施工時，應當特別注意加強拱頂、拱肩部位的豎向位移監測以及拱腰、邊墻部位的水平位移監測。

對隧道進行初次支護后得到其在不同強度折減系數Fs下的豎向位移和水平位移如圖3所示。由圖3可知，隨著強度折減系數的增大，各監測點的豎向位移和水平位移均逐漸增大。當Fs較小時（Fs在1.00～2.05范圍內），各個監測點的豎向位移、水平位移變化情況基本一致，其值也十分相近；當Fs值逐漸增大，各個監測點的豎向位移值和水平位移值逐漸出現差異；當Fs＞2.55時，各個監測點的豎向位移值和水平位移值發生突變，增大明顯。故可確定初次支護隧道的圍巖安全系數為2.55，較未支護時增加了26.24%，即初支可以明顯提升隧道圍巖的穩定狀態。初支后強度折減系數大于規范規定的1.20～1.25，故可認為該隧道初支后的穩定性滿足施工安全的需求。而根據圖3中位移值變化規律可知，初次支護隧道圍巖的變形規律與未支護隧道圍巖的變形規律基本一致，拱頂和拱肩的豎向位移對強度折減系數的變化比較敏感，而拱腰和邊墻的水平位移對強度折減系數的變化比較敏感，故而在大型機械全斷面法施工時，應當特別注意加強拱頂、拱肩部位的豎向位移監測以及拱腰、邊墻部位的水平位移監測。

1.2 基于實際工程的圍巖穩定性分析

本文基于選用大型機械全斷面施工的實際工程情況，選用FLAC 3D軟件建立初次支護的隧道圍巖三維模型進行隧道開挖仿真模擬，其模型如圖4所示。每次開挖深度為4 m。開始時，初支強度僅是總強度的10%，至下一次循環時，前一次初支強度恢復至100%。根據實際工程情況，模型Ⅵ級圍巖參數同前文；初次支護選用C30噴射混凝土，其厚度為20 cm，選用實體單元，設置為彈性模型；鋼桁架選用Ⅰ18型鋼，鋼架縱向間距為2.0 m，模型中選用Beam單元進行模擬；低預應力錨桿采用梅花形方式布置，環向間距為1.0 m，縱向間距為2.0 m，預應力值為80 kN，模型中選用Cable單元模擬，其參數如表2所示。

對隧道圍巖各個特征點位移進行監測，其值如表3所示。表3中“-”表示豎向位移為下沉、水平凈空變大；“+”表示豎向位移為隆起、水平凈空變小。

2 圍巖變形現場監測

為確定大型機械實際施工時隧道圍巖的穩定狀態，采用壓力盒監測初支和圍巖之間的壓力；采用鋼架應變計監測鋼桁架應力變化；采用高精度的全站儀監測依托工程典型斷面的拱頂沉降、水平收斂情況。各監測位置如圖5所示。

根據初支和圍巖之間的壓力監測結果可知，初支與圍巖之間均處于受壓狀態，而由于隧道開挖的影響，監測前27 d，各測點的圍巖壓力監測值增長較為迅速；27 d后其增長速度變緩，其監測值逐漸趨于穩定；拱頂圍巖壓力監測值最大，為0.22 MPa。

根據初支鋼桁架應力監測結果可知，其內外側的應力均為受壓狀態；監測前14 d，其監測值不斷增大，14 d后其監測值逐漸趨于穩定；其右拱腰處的內外側應力值均最大，其中內側值最大為166.5 MPa，達到設計強度的70.85%，即此時鋼桁架處于穩定工作狀態。

因該隧道圍巖等級為Ⅳ級，故圍巖變形值＜50 mm時，為正常狀態；圍巖變形值在50～100 mm時，為黃色預警狀態；圍巖變形值＞100 mm時，為紅色預警狀態。此外，拱頂沉降變形速度應當＜0.15 mm/d，水平收斂變形速度應當＜0.2 mm/d。

根據拱頂沉降監測結果可知，監測前27 d，拱頂沉降變形值受隧道開挖影響，隨有小幅波動，變形速率＞0.15 mm/d，其總體趨勢為不斷增大狀態，其沉降量約為總沉降量的87.40%。27 d后其增長速度變緩，監測值逐漸趨于穩定，拱頂沉降變形速度在0.15 mm/d范圍內；拱頂沉降變形終值為4.92 mm，在規范要求范圍之內。

根據水平收斂監測結果可知，監測前27 d，水平收斂變形值受隧道開挖影響，隨有小幅波動，變形速率＞0.2 mm/d，其總體趨勢為不斷增大狀態，其變形量約為總變形量的82.19%。27 d后其增長速度變緩，其監測值逐漸趨于穩定，拱頂沉降變形速度在0.2 mm/d范圍內；拱頂沉降變形終值為0.73 mm，在規范要求范圍之內。

根據前文數值模擬可得，拱頂沉降最終值為2.65 mm，比現場監測結果小2.27 mm；水平收斂最終值為0.33 mm，比現場監測結果小0.40 mm。究其原因：（1）數值模型簡化了實際工況，沒有考慮地下水和非均質圍巖的作用；（2）數值模型簡化了施工步驟，沒有考慮爆破施工對圍巖穩定性的影響；（3）現場實際施工時，支護施工有一定的延遲，導致圍巖變形增大。綜上，現場監測試驗和數值仿真計算可以互相證明、互相補充，使得研究分析更具有合理性，為其他類似工程提供一定的參考。

3 結語

本文依托某實際隧道工程，該工程采用以三臂鑿巖臺車為基礎的大型機械化配套設備，對隧道進行全斷面一次性施工。選用FLAC 3D有限差分軟件進行仿真模擬，用強度折減法對隧道圍巖未支護和初支時的穩定性進行深入分析；根據工程實際情況設置相應的支護措施，進行隧道開挖施工模擬；對現場大型機械施工時的隧道圍巖與初支壓力、鋼桁架內外側應力、拱頂沉降以及水平收斂進行監測。得到如下結論：

（1）未支護隧道和簡單初支隧道在不同強度折減系數Fs下的特征監測點位的豎向位移、水平位移變化規律基本一致，當Fs較小時，其值基本一致；當Fs值逐漸增大，其值出現差異；當Fs達到一定值時，其值發生突變，則此時的Fs為其安全系數。未支護隧道的安全系數為2.02，簡單初支隧道的安全系數為2.55，增大了26.24%，圍巖穩定性大幅提高，且滿足規范要求。

（2）根據實際工程情況設置初支厚度以及相應的鋼桁架、錨桿參數，得到相應的特征點位監測值均符合規范要求。其中，拱頂沉降最終值為2.65 mm，水平收斂監測值為0.33 mm，比實際監測值小，但仍然可以起到相互驗證的作用。

（3）根據隧道在大型機械施工時的現場監測結果可知，前期受隧道開挖影響，各項監測值均出現小幅波動，后逐漸穩定；其最終監測值均在設計強度和規范要求范圍內，故可認為該隧道圍巖狀態良好，整體較為穩定。

參考文獻

［1］劉 科.山嶺隧道機械化大斷面法設計關鍵技術［J］.隧道建設（中英文），2022，42（4）：703-713.

［2］張國偉，李德武，雷嘯天.適用于隧道機械化施工的折疊式鋼拱架及立拱關鍵技術研究［J］.隧道建設（中英文），2022，42（3）：445-450.

［3］黃維科，馬建云，張利斌，等.Ⅳ級圍巖隧道大型機械化施工與安全步距分析［J］.公路，2021，66（6）：385-390.

［4］童建軍，劉大剛，張 霄，等.大斷面隧道機械化施工支護結構設計方法——以鄭萬高鐵湖北段隧道為例［J］.隧道建設（中英文），2021，41（1）：116-125.

［5］常 舒，劉 軍，楊志男，等.隧道機械化施工地表沉降及初支結構變形研究［J］.公路，2020，65（4）：362-366.

［6］王志龍，童建軍，姚 萌.大斷面機械化施工隧道二次襯砌支護時機研究［J］.現代隧道技術，2019，56（S2）：270-277.

［7］王志堅.鄭萬高鐵隧道大斷面機械化施工關鍵技術研究［J］.隧道建設（中英文），2018，38（8）：1 257-1 270.

收稿日期：2022-12-20