新意法開挖進尺對結構隧道變形的影響研究

孫合朋，鐘水平，王傳飛

（中交路橋南方工程有限公司，北京 100000）

1 依托工程概況

大廣二期高速公路馬槽仔隧道，為分離式雙向六車道公路隧道，主洞凈寬15.588m，凈高8.85m，路面以上凈空面積102.64m2，橫坡坡度為2%，縱坡0.3%~3%。馬槽仔隧道進口處位于龍南縣桃江鄉灑口村馬槽山龍靈農場，出口處位于龍南縣渡江鎮果農村社背；左線隧道起訖樁號Z2K124+455—Z2K126+305，總長1850m，隧道最大埋深約164m，位于Z2K125+460 附近；右線隧道起訖樁號K124+475—K126+320，總長1845m，隧道最大埋深約164m，位于K125+480 附近。

隧道建造區域為剝蝕低山地貌，支脈、沖溝錯綜復雜，地形總體起伏較大，地下水豐富。隧址區內最高點位于隧道右側，標高為550m，最低標高約為233m 左右，相對高差約317m。進洞口位于一條東南走向的沖溝右側山腰，出洞口位于一條東南走向的沖溝左側山腰，隧道進、出洞口部位的巖土體較破碎，存在厚堆積體。根據工程地質勘測資料，隧道建設區域內地質結構復雜，存在斷裂帶、溶洞、褶皺、斷層、承壓水等諸多不利用隧道建設的工程地質環境和水文環境。

隧址區山高林密，相對高差較大，山體連續性較好，溝谷切割較深，狹長，泄流條件好，不利地表水存留，在隧道進、出口溝谷中均有小溪流，流量約5~10t/h。左線隧道出口淺埋段前位于溝谷中，溝谷有溪流，地表水對隧道開挖影響較大。根據沿線水文勘測資料，建設區域內地下水為主要為孔隙水、裂隙水及巖溶水3 類，且裂隙水和巖溶水是影響隧道圍巖穩定的主要因素。根據工程設計資料和現場施工組織要求，在隧道巖土體開挖施工時，采用新意法施工。

2 有限元分析模型建立

2.1 模型建立

選取馬槽仔隧道地處Ⅳ圍巖段進行有限元建模，探討各種參數對隧道的影響規律。在計算過程中，為降低仿真分析難度，隧道圍巖采用摩爾-庫侖模型，隧道內部襯砌混凝土采用線彈性模型[1-3]。

根據隧道設計結構文件，確定圍巖采用3D 實體模型單元，襯砌混凝土采用2D 板單元，超前錨桿采用1D桁架桿單元，其中噴混混凝土厚度為0.24m，錨桿長4~5m，直徑22~25mm。根據工程的實際施工尺寸，開挖面的直徑為15.588m，據圣維南原理可知，在隧道開挖過程中，隧道中心3~5 倍開挖直徑的土體會受到開挖影響，因此根據該原理，設計模型的橫斷面寬度X 為100m，隧道的掘進方向長度Y 為20m，橫斷面高度Z 為96m。

有限元模型，對隧道附近的單元進行了單元為1m的加密處理，其余單元尺寸為2m，模型共有47118 個單元，43696 個節點。模型上邊界地面設定為自由面、底部位移邊界設為固定邊界約束、兩端采用水平定向約束，模型前后施加Y 向約束。

2.2 模型計算參數的選取

圍巖設計參數采用Ⅳ級圍巖物理力學指標標準值。參照文獻[4]中超前小導管注漿對圍巖作用的等效模擬分析結論，結合依托工程實際情況，將超前小導管對注漿對圍巖的作用等效為加固圈作用，而注漿加固后的圍巖性能將有所提升，根據已有研究成果[5-7]，彈性模量提高42%～56%、黏聚力提高35%～51%，內摩擦角提高2.3°～3.4°，因此本文對加固圈內圍巖進行材料屬性的改變進行模擬超前小導管的作用。

掌子面-超前核心土進行預加固注漿，考慮到圍巖應力釋放后強度會大幅折減，二預注漿加固可有效降低這種強度折減，據相關研究[8-11]，對掌子面核心土進行超前預注漿加固，隧道圍巖的彈性模量、內摩擦角、黏聚力將分別提升95%、50%和90%。結合馬槽仔隧道實際地質情況，計算模擬參數取值如表1 所示，其中注漿加固區的力學參數按上述所示進行提高，而噴射混凝土和灌注混凝土在鋼拱架及鋼筋網片的作用下，其力學參數較素混凝土會有較大幅度的提升。

表1 數值模擬計算參數

3 不同開挖進尺對隧道變形的影響

3.1 開挖進尺參數確定

模型選取的隧道開挖方向長度為20m，本文選取了3m、5m 和8m 共3 種開挖進尺進行了對比分析。以3m 開挖進尺為例，表2 為其施工階段劃分，另外兩種進尺除在施工階段上少于3m 進尺，其余均相同，此處不在重復贅述。

表2 開挖進尺為3m 下的施工階段劃分

3.2 不同開挖進尺圍巖變形情況

新意法開挖隧道完成后，圖1 為拱頂最終沉降與邊墻最終水平位移隨開挖進尺的變化曲線。可以看出隨著開挖進尺的增加，拱頂沉降逐漸增加，邊墻的水平位移也在增加。

圖1 不同開挖進尺下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖1 可以看出，隨著開挖進尺的增強，拱頂沉降量和邊墻水平位移均呈遞增趨勢；當進尺大于5m 時，增長速率雖有所減緩，但最大沉降值已超過20mm、水平位移也接近15mm。

3.3 隧道開挖應力情況分析

隧道開挖完成后，3m 開挖進尺下模型對應的圍巖水平、豎向應力計算，以拱頂為觀測點，圖2 為其在不同開挖進尺下最終Z、X 向應力變化曲線，可以看到Z與X 向應力均隨著開挖進尺的增大而增大，這是符合工程實際的。

圖2 不同開挖進尺下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖2 可以看出，隨著開挖進尺的增強，拱頂圍巖Z 向應力和X 向應力均呈遞增趨勢；當進尺大于5m時，增長速率明顯增加，因此，為保證結構安全，開挖進尺不宜超過5m。

4 超前小導管長度對變形的影響分析

對超前小導管的模擬等效為注漿加固圈，因此，通過改變加固圈厚度，從而實現不同超前小導管對隧道開挖的影響。為此，設置了0.5m、1m、1.5m、2m 四種厚度的加固圈。其余計算參數與工況為開挖進尺為5m 時的相同。

隧道開挖完成后，拱頂最終沉降與邊墻最終水平位移隨加固圈厚度的變化曲線如圖3 所示。

圖3 不同小導管等效加固圈厚度下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖3 可以看出當等效加固圈厚度增加時，拱頂沉降與邊墻水平位移均減小，其中小導管加固圈長度對拱頂沉降值的影響顯著大于對邊墻水平位移的影響。綜合考慮拱頂沉降和邊墻水平位移，加固圈的長度不宜小于1.5m。

5 結論

基于工程設計和新意法隧道開挖施工過程，對不同開挖進尺和小導管長度下，隧道圍巖及支護結構的變形和應力情況進行模擬仿真，得到以下結論。

（1）隨著開挖進尺的增強，拱頂沉降量、邊墻水平位移、拱頂圍巖Z 向應力和X 向應力均呈遞增趨勢；當進尺大于5m 時，增長速率雖有所減緩，但最大沉降值已超過20mm、水平位移也接近15mm，圍巖Z 向應力和X 向應力增長速率明顯增加，因此，為保證結構安全，開挖進尺不宜超過5m。

（2）當小導管等效加固圈厚度增加時，拱頂沉降與邊墻水平位移均會出現一定幅度的減少，其中小導管加固圈長度對拱頂沉降值的影響顯著大于對邊墻水平位移的影響。綜合考慮拱頂沉降和邊墻水平位移，加固圈的長度不宜小于1.5m。