軟巖大斷面隧道安全施工步距數值模擬分析

秦 苛，張翰洋，蔡曉斌，翟盛君，曹 俊

（成都建工集團有限公司，四川 成都）

1 研究隧道概況及研究現狀

文章所研究的隧道為越嶺隧道，隧道工程道路等級為城市主干路，設計安全等級為一級，為雙向8 車道分離式隧道，隧道最大埋深約189 m，左線起止里程為ZK20+935～ZK23+018，長2 083 m，右線起止里程為YK20+972～YK23+070，長2 098 m，總體走向呈東西向。隧道所穿越圍巖級別大多為V 圍巖，原設計開挖工法：V 級圍巖采用雙側壁工法。

根據《公路工程施工安全技術規范》Ⅴ級及以上圍巖：仰拱距最遠端掌子面距離≤50 m，二襯距掌子面最遠端距離≤70 m。首先按照施工工藝的要求，二襯和仰拱之間至少需要三版襯砌長度的施工作業面，用來存放仰拱、二襯鋼筋以及擺置防水板臺車，其次過近的安全步距極有可能導致前方掌子面爆破作業時損壞已完成工作面。因此有必要對施工安全步距進行合理調整，以滿足施工工藝要求。

宋順德[1]提出初期支護、二次襯砌與作業面的安全距離按制基本上取決于兩個方面的因素：一是作業面爆破產生的飛石及沖擊波對二次襯砌人員、機具、材料的損傷問題；二是隧道開挖后圍巖及初期支護變形是否趨近于穩定的問題。李凱[2]通過查閱相關資料及行業現狀調查情況后看，隧道施工安全步距現有規范適用性有限，特別是對于大斷面四車道隧道。陳仁超[3]提出軟弱圍巖隧道施工可能會出現安全步距不符合規范要求，需結合自身工況進行安全可行性檢驗。楊文獻[4]將石牙山隧道將二次襯砌距離掌子面距離按制在200 m，研究結論證明200 m 考慮了隧道施工中各工序平行流水作業所需的工作場地、安全距離,又為開挖后的圍巖提供了變形收斂直至穩定的充足時間。郭鴻雁[5]指出目前關于傳統鉆爆法分步開挖的安全步距研究有所涉及，但缺乏Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下隧道機械化全斷面施工安全按制步距的相關研究。黃維科[6]考慮機械操作性和施工安全性，針對龍昌隧道的仰拱距掌子面安全步距進行了動態優化。

2 隧道施工安全步距研究現狀

根據以上研究結果，本研究將V 級圍巖下仰拱距最遠端掌子面距離由原方案50 m 調整為≤128 m，二襯距掌子面最遠端距離由原方案≤70 m 調整為≤179 m。修改后的仰拱距最遠端掌子面距離調整后大于規范要求；修改后的二襯距掌子面最遠端距離滿足《高速公路施工標準化技術指南》的小于200 m 要求，不滿足《公路工程施工安全技術規范》Ⅴ級及以上圍巖不得大于70 m 要求。

為確保施工步距修改后的安全性，本研究將借助FLAC3D 數值模擬軟件分析了隧道變形，應力，安全系數，以驗證安全性。

3 FLAC3D 數值模擬

3.1 評估分析假定

為了簡化模型及減少評估量，且滿足評估結論正確性要求，對模型的建立和分析評估提出了以下假設：

（1） 模型采用地層- 結構模型進行評估，選取大于評估結構對象的建模范圍。

（2） 本次評估過程中簡化機械及施工復雜性，考慮等效殺死單元進行模擬主體開挖、礦山法隧道施工的整個過程。

（3） 隧道結構及地層均采用實體單元進行模擬。

部分圍巖參數見表1。

表1 部分圍巖參數

3.2 評估模型建立

項目工程結構復雜，為準確分析并預測隧道施工的安全影響，并考慮隧道開挖的空間效應，因此采用有限差分評估軟件FlAC3D 進行三維數值分析，建立三維有限元模型。土體采用摩爾- 庫倫本構。該土體本構可模擬初次加載- 卸載- 再加載之間的剛度差別。考慮實際工程的復雜性、周邊環境敏感性、數值計算精度、計算速度等，確定模型尺寸以及邊界條件。基于本工程的實際情況，考慮隧道開挖對圍巖影響，選擇模型尺寸為100 m（X 方向）×100 m（Y 方向）×360 m（Z 方向），如圖1 所示。

圖1 雙側壁導坑法整體模型

在本次模擬計算中，X 方向對應水平方向，X 方向的相對位移可以判斷隧道凈空水平收斂情況；Y 方向對應隧道開挖方向；Z 方向對應豎直方向（即埋深方向），Z 方向位移正值表示隆起，負值表示沉降。模型X、Y 方向的左右、前后4 個邊界采用水平約束的滑動支座邊界條件，模型底面采用固定支座邊界條件，模型上表面為自由邊界。地應力場按自重應力場考慮。根據隧道開挖的全過程中各具體施工步驟，采用“激活- 鈍化”的方式模擬隧道開挖全過程，最終對隧道結構及圍巖的變形和受力做出合理的預測。

4 FLAC3D 數值結果分析

4.1 隧道拱頂變形

為探究V 級圍巖中雙側壁導坑法原設計步距與變更步距下的隧道洞周變形影響，對隧道整個工序完成后的隧道洞周變形進行分析，其中豎向變形結果如圖2- 圖4 所示。

圖2 原安全步距下隧道拱頂沉降變形曲線

圖3 安全步距調整后隧道拱頂沉降變形曲線

圖4 雙側壁導坑法安全步距調整前后隧道拱頂沉降變形曲線

根據《公路隧道設計規范（第一冊土建工程）》，V級圍巖極限位移取為150 mm。安全步距調整前后拱頂沉降對比如表2 所示。

表2 安全步距調整前后拱頂沉降對比

原安全步距拱頂沉降最大值為45.857 5 mm，小于按制值150 mm，滿足安全范圍；安全步距調整后拱頂沉降最大值為53.431 4 mm，小于按制值150 mm，滿足安全范圍。安全步距調整后，拱頂沉降最大值的變化率僅增大了16.52%。

從拱頂沉降變化曲線可以看出，隨著開挖的進行，開挖進尺0～25 m，拱頂沉降減小，開挖進尺25～200 m，拱頂沉降基本保持不變，開挖進尺200～275 m，拱頂沉降急劇減小。

4.2 隧道水平變形

原安全步距下隧道水平變形曲線如圖5 所示。安全步距調整后隧道水平變形曲線如圖6 所示。

圖5 原安全步距下隧道水平變形曲線

圖6 安全步距調整后隧道水平變形曲線

安全步距調整前后隧道水平變形對比如表3 所示。

表3 安全步距調整前后隧道水平變形對比

原安全步距下隧道水平收斂最大值為13.496 2 mm，小于按制值150 mm，滿足安全范圍；變更設計步距水平收斂最大值為31.887 1mm，小于按制值150 mm，滿足安全范圍。安全步距調整后，水平收斂最大值的變化率為增大了136.27%。

從水平收斂變化曲線可以看出，隨著開挖的進行，開挖進尺0～25 m，邊墻水平變形增大，開挖進尺25～175 m，水平變形基本保持不變，開挖進尺175～200 m，水平變形增大，開挖進尺200～275 m，水平變形急劇減小。

4.3 隧道結構應力

本研究利用FLAC3D 數值模擬軟件，按照隧道開挖施工工序，對安全步距調整前后結構應力進行模擬計算，結果如表4 所示。

表4 雙側壁導坑法隧道結構應力

從表4 中所列模擬計算結果可以看出，原安全步距下隧道初支的最大主應力值為0.510 21 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主應力值為7.333 7 MPa，小于按制值13.5 MPa，均滿足安全強度；原安全步距下二襯的最大主應力值為0.447 53 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主應力值為6.729 6 MPa，小于按制值21.5 MPa，均滿足安全強度。

安全步距調整后隧道初支的最大主應力值為0.794 98 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主應力值為9.147 1 MPa，小于按制值13.5 MPa，均滿足安全強度；安全步距調整后隧道二襯最大主應力值為0.559 35 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主應力值為8.835 8 MPa，小于按制值21.5 MPa，均滿足安全強度。

結束語

本研究利用FLAC3D 數值模擬軟件對軟弱圍巖隧道（V 級）施工安全步距調整前后進行了變形和應力分析，結果表明，安全步距的調整對隧道主體結構安全影響程度不大，各項模擬計算結果依然滿足規范限值要求。模擬計算結果對該類隧道降低施工安全步距管按要求提供了理論支持，有利于施工現場各項工序的合理銜接。

該種圍巖狀況下，拱頂和拱腰掉塊風險較大。必須嚴格按照設計方案實施超前小導管注漿，加強導管注漿管理，并結合地下水情況，合理引排，必要時，可采用超前支護與圍巖初噴相結合的方式，保證掌子面作業安全。