淺埋隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝分析與研究

馬智理 佘婷婷 趙婷

基金項(xiàng)目：貴陽(yáng)人文科技學(xué)院2022年度科研基金項(xiàng)目（2022rwjs048）

第一作者簡(jiǎn)介：馬智理（1994-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>

*通信作者：佘婷婷（1995-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.019

摘? 要：該文主要分析施工前、后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和圍巖抗剪安全系數(shù)指標(biāo)，施工過(guò)程中距離隧道軸線4、8 m處，距離拱腰1、3、4、5 m的最大和最小主應(yīng)力和圍巖抗剪安全系數(shù)。并得出最大、最小主應(yīng)力的影響范圍在距拱腰0～4 m內(nèi)。施工完成后距離拱腰越近，圍巖的抗剪安全系數(shù)越大，并且距離拱腰0～3 m安全系數(shù)降低，在3 m以后安全系數(shù)增加。綜合比較得出三臺(tái)階法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)性最小。

關(guān)鍵詞：懸臂掘進(jìn)機(jī)；大小主應(yīng)力；抗剪安全系數(shù)；施工工法；淺埋隧道

中圖分類號(hào)：U25? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0087-05

Abstract： This paper mainly analyzes the stress state of surrounding rock and the index of shear safety factor of surrounding rock before and after construction， the maximum and minimum principal stress and the shear safety factor of surrounding rock 1， 3， 4 and 5 m away from tunnel axis 4 and 8 m during construction. It is concluded that the influence range of the maximum and small principal stress is within 0～4 m from the arch waist. After the completion of the construction， the closer to the arch waist， the greater the shear safety factor of the surrounding rock， and the safety factor is decreasing at the distance of 0～3m from the arch waist， and the safety factor is increasing after 3 m. By comprehensive comparison， it is concluded that the disturbance of the three-step construction to the surrounding rock is the least.

Keywords： cantilever roadheader; principal stress; shear safety factor; construction method; shallow tunnel

2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，全國(guó)鐵路里程達(dá)到13.1萬(wàn)km，比2017年增長(zhǎng)3.1%，全國(guó)鐵路路網(wǎng)密度為136 km/萬(wàn)km2，比2017年增加2%，公路隧道總里程484.65萬(wàn)km，比2017年增加7.31萬(wàn)km[1]。隨著鐵路和公路里程的逐漸增加，對(duì)于一些特殊的地質(zhì)情況，傳統(tǒng)的施工方法不能滿足實(shí)際的工程需要，而懸臂掘進(jìn)機(jī)適用范圍廣，施工方便快捷，并且主要采用臺(tái)階法進(jìn)行施工[2-4]。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)可以適應(yīng)大多數(shù)隧道施工。本文主要研究不同施工方法前后圍巖的應(yīng)力變化[5-6]和圍巖的抗剪安全系數(shù)[7]，從而分析圍巖的自穩(wěn)情況。

1? 我國(guó)懸臂掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展概況

我國(guó)懸臂掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展是從引進(jìn)、消化吸收和自主研制3個(gè)階段。我國(guó)懸臂掘進(jìn)機(jī)的研制是從20世紀(jì)60年代以40 kW左右小功率掘進(jìn)機(jī)為主，掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)和使用都是處于試驗(yàn)階段，并且大部分的掘進(jìn)機(jī)都是外國(guó)引進(jìn)機(jī)型，這種情況一直持續(xù)到20世紀(jì)70年代末。20世紀(jì)80年代初我國(guó)引進(jìn)奧地利的A-500等機(jī)型，通過(guò)對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、吸收、消化，推動(dòng)了我國(guó)懸臂掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的研發(fā)和掘進(jìn)機(jī)的使用，為我國(guó)懸臂掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代是懸臂掘進(jìn)機(jī)發(fā)展最快的一個(gè)階段，此階段主要是我國(guó)自主研發(fā)階段，中型掘進(jìn)機(jī)在此階段技術(shù)相應(yīng)成熟，重型掘進(jìn)機(jī)也相應(yīng)出現(xiàn)，并且能夠研制截割硬度不超過(guò)80 MPa的掘進(jìn)機(jī)，在這一時(shí)期形成了多個(gè)系列產(chǎn)品，如EBJ（Z）系列、S系列、如EBZ系列掘進(jìn)機(jī)。

2? 隧道施工相關(guān)理論

2.1? 隧道施工前后圍巖的應(yīng)力變化

隧道施工后將會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)的巖體引起應(yīng)力重分布（第1階段），應(yīng)力重分布的情況下，圍巖會(huì)產(chǎn)生一定的位移和局部的松弛（第2階段），在這種情況下持續(xù)發(fā)展，隧道會(huì)在局部產(chǎn)生破壞（第3階段），在局部破壞的基礎(chǔ)上隨著時(shí)間的發(fā)展造成整體垮塌（第4階段）。通常在長(zhǎng)期的工程和實(shí)踐中，隧道未施工前為第1次應(yīng)力狀態(tài)，施工后應(yīng)力重分布形成第2次應(yīng)力狀態(tài)，如果此時(shí)隧道為穩(wěn)定狀態(tài)就不需要進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)，俗稱毛洞，如果隧道不穩(wěn)定就需要及時(shí)進(jìn)行支撐，在進(jìn)行支護(hù)以后使其穩(wěn)定，最后形成第3次應(yīng)力狀態(tài)[8]。

2.2? 應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

最大剪應(yīng)力理論中，引起材料破壞的主要因素是最大剪應(yīng)力，材料處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，危險(xiǎn)點(diǎn)的最大剪應(yīng)力τmax大于材料的極限τ0，材料會(huì)破壞。最大剪應(yīng)力為

2.3? 圍巖抗剪安全系數(shù)

取巖石的抗剪安全系數(shù)進(jìn)行研究，拱腰部位的抗剪安全系數(shù)進(jìn)行分析，本文只研究未加襯砌時(shí)圍巖的抗剪安全系數(shù)和圍巖抗剪安全系數(shù)的變化

式中：Ka為巖石抗剪安全系數(shù)；？漬為摩擦角；c為凝聚力；σ1、σ3為第一和第三主應(yīng)力。

3? 數(shù)值模擬

3.1? 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工圍巖的大小主應(yīng)力變化

由前所述，整個(gè)隧道存在著初始應(yīng)力場(chǎng)，并且隨著埋深的增加初始應(yīng)力也會(huì)相對(duì)增加。初始應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力2部分組成。為了充分發(fā)揮圍巖的穩(wěn)定性，在不加支護(hù)的基礎(chǔ)上，本文采取ABAQUS（工程模擬的有限元軟件），進(jìn)行模擬隧道施工。模型采用60 m×60 m×20 m，埋深8 m，隧道的材料見(jiàn)表1。隧道的斷面如圖1所示（其中R1、R2、R3、R4代表隧道三圓半徑長(zhǎng)，單位mm）。

ABAQUS計(jì)算精度較高，本模擬采取控制生死單元法[9]，對(duì)模型的網(wǎng)格要求較高。模擬過(guò)程中采取3個(gè)步驟，第1個(gè)步驟進(jìn)行施加重力，計(jì)算整個(gè)模型在重力下的情況。第2個(gè)步驟采取預(yù)應(yīng)力平衡，采取預(yù)應(yīng)力平衡以后模型的位移會(huì)相對(duì)減小（模擬真實(shí)情況下的位移）。第3個(gè)步驟施工，模擬全斷面、二臺(tái)階法、三臺(tái)階法施工，研究離隧道軸線4、8 m處離拱腰1、3、4 、5 m的應(yīng)力和位移變化。隧道施工部分應(yīng)力釋放中，本文采取釋放的系數(shù)為45%。其相應(yīng)的彈性模量從0.318 GPa釋放到0.19 GPa，摩擦角和泊松比也相應(yīng)地減少。

隧道施工距離隧道軸線4 m處各施工方法圍巖最大主應(yīng)力變化如圖2—圖4所示，8部位如圖5—圖7所示。

圖1? 隧道斷面

距隧道軸線4 m，施工引起應(yīng)力釋放會(huì)對(duì)距離拱腰1 m的位置的最大主應(yīng)力減小。施工過(guò)程中距離拱腰越遠(yuǎn)，最大主應(yīng)力減小的越少。最大主應(yīng)力在4 m處施工過(guò)程中會(huì)逐漸減小，在5 m處會(huì)逐漸增加，隧道施工的影響范圍0～4 m之間。分析不同施工方法的最大主應(yīng)力變化可以得出，三臺(tái)階法施工對(duì)拱腰的影響較小，最大主應(yīng)力變化緩慢，施工過(guò)程中對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)最小，二臺(tái)階法施工應(yīng)力變化幅度相對(duì)增大，圍巖的穩(wěn)定性對(duì)圍巖的擾動(dòng)次之，全斷面施工則相對(duì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響較大，根據(jù)施工情況可采取相應(yīng)的超前支護(hù)進(jìn)行維護(hù)。

距隧道軸線8 m處在施工第1個(gè)階段應(yīng)力釋放會(huì)對(duì)距拱腰1 m的位置引起最大主應(yīng)力減小，對(duì)1 m以后的位置相應(yīng)沒(méi)影響。已施工完成的斷面在施工時(shí)效下產(chǎn)生的沉降對(duì)后續(xù)施工有一定的影響，是以三臺(tái)階法施工最為明顯，已產(chǎn)生的沉降對(duì)后續(xù)施工拱腰部位的最大主應(yīng)力有一定的減緩作用，在實(shí)際工程中已不考慮其作用。

隧道施工距離隧道軸線4 m各施工方法圍巖最小主應(yīng)力變化如圖8—圖10，8 m部位如圖11—圖13。

隧道施工距隧道軸線4 m在施工過(guò)程中最小主應(yīng)力最大主應(yīng)力變化不同，最小主應(yīng)力影響范圍在0～5 m之內(nèi)，最小主應(yīng)力則在0～3 m之內(nèi)。通過(guò)距隧道軸線4 m、8 m的最小主應(yīng)力變化同樣可以得出，應(yīng)力釋放對(duì)隧道輪廓線越近影響越大，越遠(yuǎn)影響越小。已施工完成的斷面在施工時(shí)效下產(chǎn)生的沉降對(duì)后續(xù)施工有一定的影響，尤其是以三臺(tái)階法施工最為明顯，已產(chǎn)生的沉降對(duì)后續(xù)施工拱腰部位的最小主應(yīng)力有一定的減緩作用。

3.2? 施工過(guò)程中的抗剪切分析

隧道施工距離隧道軸線4 m處各施工方法圍巖抗剪安全系數(shù)變化如圖14—圖16所示，8 m部位如圖17—圖19所示。

在施工完成后，距離拱腰越近圍巖的抗剪安全系數(shù)越大，圍巖的安全性就越低。距離隧道拱腰1 m的圍巖抗剪安全系數(shù)中，三臺(tái)階法比二臺(tái)階法、二臺(tái)階法比全斷面施工數(shù)值小，可以得出三臺(tái)階法施工對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)小。在施工0～8 m的過(guò)程中，對(duì)此時(shí)拱腰圍巖的抗剪強(qiáng)度是逐漸增加的，在施工8 m以后的隧道掌子面，距離拱腰1～3 m的位置，抗剪強(qiáng)度在逐漸減小，在3 m以后的圍巖抗剪強(qiáng)度逐漸增加，已施工0～8 m的毛洞會(huì)對(duì)距離拱腰1～3 m內(nèi)圍巖的抗剪強(qiáng)度減小略有減緩作用，以三臺(tái)階法施工最為明顯。距隧道軸線4、8 m處拱腰抗剪強(qiáng)度可以得出，已施工完成的毛洞對(duì)后方的拱腰部位的抗剪強(qiáng)度都有增加的作用，尤其是以距離拱腰1 m位置最為明顯。并且在施工到距隧道軸線8 m，拱腰1～3 m的圍巖抗剪安全系數(shù)在增加，在3 m以后圍巖的抗剪安全系數(shù)在減小。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在施工過(guò)程中，施工部分的應(yīng)力釋放會(huì)對(duì)距離拱腰1 m左右的位置最大、最小主應(yīng)力會(huì)引起相應(yīng)減小。施工過(guò)程中距離拱腰越遠(yuǎn)，最大、最小主應(yīng)力減小的越少。隧道施工對(duì)最大主應(yīng)力的影響范圍在0～4 m內(nèi)。分析不同施工方法的最大、最小主應(yīng)力變化可以得出，三臺(tái)階法施工對(duì)拱腰的影響較小，并且已施工完成的毛洞對(duì)掌子面后方即將施工的土體，在施工過(guò)程中對(duì)最大主應(yīng)力的減小有減緩作用。在施工完成后距離拱腰越近，圍巖的抗剪安全系數(shù)越大。在施工的過(guò)程中，在距離拱腰0～3 m內(nèi)，圍巖的抗剪安全系數(shù)在增加，3 m以外在減小。施工過(guò)程中，圍巖抗剪的影響范圍在距拱腰0～3 m內(nèi)。分析不同方法施工對(duì)圍巖的抗剪安全系數(shù)影響可以得出，三臺(tái)階法施工對(duì)圍巖的抗剪能力影響最小，對(duì)提高圍巖的穩(wěn)定性具有一定的作用。

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