巖溶隧道動力開挖沉降變化規律及參數影響分析

中圖分類號：U456. 3⁺ 1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.045

文章編號：1673-4874（2025）04-0162-03

0 引言

巖溶地區歷經漫長地質歷史時期的水溶蝕作用，形成獨特且復雜的地質景觀，給隧道建設帶來超乎尋常的阻礙。巖溶地區發達的地下水系猶如隱匿的“暗河”，水位波動大，流速快慢不一。地下水不僅是洞穴形成的關鍵動力，在隧道施工期間還會引發突水、涌泥災害，同時其化學侵蝕性還可能腐蝕支護結構，削弱隧道耐久性[1]。

鑒于巖溶隧道地質條件的復雜性，動力開挖憑借高效、靈活等特性成為主流施工方法，鉆爆法與三臂鑿巖施工是最為常見的手段。鉆爆法歷史悠久、技術成熟，能夠精準控制開挖輪廓，適應各種復雜斷面形狀2；在遭遇巖溶洞穴、破碎圍巖時，可通過調整爆破參數靈活處理。三臂鑿巖臺車配備3個鑿巖臂，可同時在不同位置進行鉆孔作業，相比單臂或雙臂鑿巖設備，大大提高了鉆孔效率。在巖溶隧道施工中，面對復雜的地質條件和大量的鉆孔任務，能夠快速完成炮眼的開鑿，加快施工進度。

然而，動力開挖過程卻頻繁引發棘手難題：鉆爆法爆破瞬間，炸藥能量瞬間釋放，產生的沖擊波和地震波呈輻射狀在巖體中傳播，會瞬間打破原有應力平衡，致使圍巖應力急劇攀升；三臂鑿巖施工時，驅動鉆頭扭矩參數的波動，會致使巖體受力不均，護盾與圍巖間若支護力不當，也易造成圍巖過度變形，影響隧道整體穩定性[3-5]。因此開展全方位、深層次的巖溶隧道動力開挖力學響應規律及參數影響分析，迫在眉睫。

基于此，本研究提出鉆爆法結合三臂鑿巖輔助施工工藝，旨在取二者之長、補彼此之短：鉆爆法先行開辟先導洞，利用其爆破的強大沖擊力快速破除堅硬巖石，為后續三臂鑿巖進場創造相對規整的作業環境；同時，利用FLAC3D軟件構建三維隧道模型，深入研究沉降速率變化規律及爆破進尺和驅動鉆頭扭矩對隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率的影響。

1 工程概況

天峨至北海公路（天峨經鳳山至巴馬段）主線全長104.7km ，設計速度為 100km/h ；主線設置隧道49 1997.5m/50 座，其中特長隧道13 398.5m/3 座，長隧道19179m/13座，中隧道 11524.5m/17 座，短隧道5895.5m/17 座，隧道占主線全長的47. 75% ；連接線共設置隧道3 455m/5 座。該工程屬于當地交通網絡規劃中的關鍵控制性工程，肩負著打通區域經濟脈絡、促進沿線資源開發與人員交流的重任。

沿線隧道地層巖性多樣，上部多覆蓋第四系松散堆積物，包含粉質黏土、砂質黏土以及各類砂土，厚度不均，局部厚達 2.6m ，土質松軟，自穩性差；下部基巖則以石灰巖、白云巖為主，巖溶裂隙、溶洞廣泛分布。前期地質勘查借助高密度電法、地震映像法等先進手段，精準探測出沿線巖溶發育率 gt;8.9% ，溶洞形態各異，小至直徑數厘米的溶蝕孔洞，大到跨度 gt;3.81 m的巨型溶洞，洞內常填充黏土、碎石或積水，致使巖體完整性遭到嚴重破壞，力學性質離散性極大。

鑒于隧道地質復雜性與工期要求，采用鉆爆法結合三臂鑿巖輔助施工工藝[。在開挖前期采用鉆爆法，以便靈活處理復雜地質狀況，精準控制開挖輪廓，降低塌方風險。在開挖后期啟用三臂鑿巖掘進，利用其高效切削、連續作業優勢，快速推進施工進度。同時，引入先進數值模擬軟件，結合現場原位測試，旨在深入剖析巖溶隧道沉降速率變化規律及參數影響，全力確保工程高質高效、安全平穩推進。

2巖溶隧道動力開挖沉降變化規律研究

2.1數值模擬方案設計

依據實際工程隧道設計圖，利用FLAC3D軟件構建三維隧道模型。隧道單洞為三心圓拱形斷面，凈寬設定作者簡介：韋昌嚴（1989一），工程師，主要從事高速公路建設安全管理工作。

為 12m ，凈高為9m，如圖1所示。隧道長度方向建模延伸 15m ，涵蓋洞口段、洞身段以及臨近溶洞地段，充分考量隧道開挖全過程力學響應特性。模型上下、左右邊界距隧道軸線50m，模擬無限遠處水平約束。上下邊界分別距隧道拱頂、仰拱 60m ，模擬深部地層豎向約束，以此營造近似真實場地應力環境。

通過現場地應力測試，獲取隧道初始地應力場數據，最大主應力方向多呈水平偏 35^° ，大小在 10～30MPa 波動；垂直主應力依上覆巖層自重估算，取值為 2～ 。模型中精準施加該初始地應力，模擬開挖前圍巖原始受力狀態，且開挖過程動態調整地應力釋放規律，依據開挖步長、速率以及圍巖變形特性，合理設定每步開挖地應力釋放比例，初始階段釋放 30% ，隨開挖深入逐步遞增至 70% ，精準再現現場開挖應力演變情況。

圖1隧道模型圖

圖2隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

2.2沉降速率變化規律

本節利用數值模擬，進一步探究不同開挖時間下（1～5d為鉆爆法施工；5～25d為三臂鑿巖施工）的隧道橫斷面拱頂沉降速率、隧道縱向沉降速率及巖溶頂部沉降速率，結果如圖2所示。由圖2可知，開挖初期（1～5d），運用鉆爆法開辟先導洞時，爆炸沖擊瞬間打破圍巖原始應力平衡，隧道拱頂上方巖體“失穩”，迅速開啟下沉歷程。此時拱頂下沉速率極高，最大沉降速率高達8min/h ，因爆破震動不僅直接震松拱頂巖體，還使周邊微裂隙急劇萌生、擴張，削弱巖體承載能力。當施工處于三臂鑿巖掘進階段（ 10～25 d），拱頂下沉速率驟減，拱頂沉降速率為 2.6～3.8mm/h 三臂鑿巖的護盾為拱頂提供臨時支撐，有效遏制下沉趨勢，且切削過程震動輕微，避免額外擾動引發下沉加劇。

在鉆爆法開挖初期，當炸藥爆炸后，爆炸產生的沖擊波和地震波在巖體中傳播。在隧道縱向方向上，沖擊導致巖體結構破碎，應力瞬間釋放，引起隧道頂部和底部巖體快速沉降。隧道縱向沉降速率在 1～5 d急劇上升，最大沉降速率為439mm/h。當施工從鉆爆法轉換為三臂鑿巖輔助施工時（第10d），沉降速率出現短暫上升，第10d的隧道縱向沉降較第5d增加4. 10% ，這主要是因為三臂鑿巖鉆頭開始切削時，會對掌子面前方的巖體產生新的應力集中。在三臂鑿巖正常施工期間（ 15～25d） ，隧道縱向沉降速率相對穩定，沉降速率變化范圍為168～185mm/h，這是因為三臂鑿巖的護盾提供較為連續的支護力，使巖體在縱向方向上的變形得到有效控制。

在采用鉆爆法進行巖溶隧道開挖的初期 （1～5d） ，當炸藥在巖溶區域附近引爆時，爆炸產生的強大沖擊波和地震波會迅速傳播到巖溶介質中。由于巖溶洞穴內部填充物（如黏土、碎石等）和周邊巖體的力學性質差異，在縱向方向上，巖溶區域的頂部沉降速率最大高達840mm/h ，遠大于隧道縱向及隧道橫斷面拱頂的沉降速率。當施工工藝轉換為三臂鑿巖輔助施工后（ 10～ 25d），巖溶頂部沉降速率迅速下降，開挖第10d的巖溶頂部沉降速率為 512mm/n 較開挖第5d下降39. 05% 。

隨著三臂鑿巖持續施工（ 10～25 d），巖溶頂部沉降速率呈遞增趨勢。當開挖時間為25d時，巖溶頂部沉降速率為 641mm/h ，較開挖10d增加25. 20% ，主要原因為巖溶洞穴填充物的性質不均勻，三臂鑿巖在切削過程中會導致縱向方向上的不均勻沉降。綜上所述，當采用鉆爆法時，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率均較大。而采用三臂鑿巖掘進時，隧道橫斷面拱頂及隧道縱向的沉降速率均發生明顯下降現象。且三臂鑿巖掘進時，巖溶頂部隨著開挖時間增加，沉降速率呈遞增趨勢，因此需要進一步優化三臂鑿巖及鉆爆法施工參數，降低巖溶頂部沉降速率。

2.3施工掘進參數影響分析

2.3.1爆破進尺

爆破進尺是影響隧道開挖速度的重要因素之一。然而，過大的爆破進尺可能會導致較高的沉降速率，需要花費較多的時間進行加固和處理。通過研究不同爆破進尺對沉降速率的影響，可以在保證工程質量和安全的前提下，確定最優的爆破進尺，平衡開挖速度和沉降控制之間的關系，從而合理安排施工進度，避免因沉降問題導致的施工延誤，確保工程能夠按時完成。因此，本研究分析不同爆破進尺 對隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率影響，且由于爆破階段僅為施工的 1～5d ，因此重點探究施工第5d的沉降速率變化情況，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著爆破進尺增加，隧道及巖溶沉降速率逐漸增加。1.5m進尺下的隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別為 3.8mm/h 、360mm/h及734mm/h ，整個沉降過程也相對平穩，主要因為其每次爆破產生的臨空面較小，對拱頂巖體的擾動程度較輕，應力集中和變形的范圍有限，所以沉降速率的變化幅度較小。爆破進尺為2m時，隧道及巖溶沉降速率雖有增加，但增加幅度較低，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率較爆破進尺1.5m分別增加15 .79%.3.06% 及3. 13% 。而當爆破進尺為2.5m時，隧道及巖溶沉降速率增加幅度突然較大，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率較爆破進尺1.5m分別增加65. 79% 、21. 11% 及 7.63% 。表明爆破進尺越大，對隧道橫斷面拱頂沉降速率的影響越顯著。當爆破進尺為3m時，隧道及巖溶沉降速率仍持續增加，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別高達7.9mm/h、478mm/h及821mm/h 因此，當爆破進尺為2.5m時，隧道及巖溶沉降速率具有明顯的增加趨勢，為避免因沉降問題導致的施工延誤，可以將爆破進尺設定為 lt;2.5m ，以平衡開挖速度和沉降控制之間的關系。

圖3不同爆破進尺下的隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

2.3.2驅動鉆頭參數

驅動鉆頭扭矩是三臂鑿巖施工過程中的關鍵參數。驅動鉆頭扭矩的大小直接影響鉆頭對前方巖體的切削效果和對周圍巖體的擾動程度。當驅動鉆頭扭矩增大時，鉆頭對巖體的切削力增強，會導致隧道及巖溶周圍的巖體應力狀態發生變化，進而影響隧道及巖溶的沉降速率。因此本節進一步探究不同驅動鉆頭扭矩 對隧道及巖溶沉降速率的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著驅動鉆頭扭矩的增加，隧道及巖溶沉降速率呈先緩慢增加后快速增加趨勢。當驅動鉆頭扭矩為1000～2000KN·m時，隧道橫斷面拱頂沉降速率變化范圍為 4.2～4.5mm/h ，沉降速率變化幅度較小，主要原因為鉆頭切削力較小，對拱頂周圍巖體的破壞程度較輕，巖體能夠在一定程度上保持自身的穩定性，從而使拱頂沉降速率的變化幅度較小。隧道縱向及巖溶頂部沉降速率變化規律與隧道拱頂變化趨勢一致。而當驅動鉆頭扭矩 gt;2 000kN·m時，隧道及巖溶沉降速率突然增加，驅動鉆頭扭矩為3000KN ? m時的隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別為 7.9mm/h 441mm/h及 804mm/h ，較驅動鉆頭扭矩1000KN·m分別增加88. 10% 、28. 95% 及 12.92% 。由于鉆頭切削力過強，對隧道周圍巖體的破壞范圍和程度都較大，使隧道及巖溶沉降速率的變化幅度突然增大。因此，為了避免驅動鉆頭扭矩過大，導致隧道及巖溶的沉降速率持續增加，驅動鉆頭扭矩應 ?2 000 kN·m。

圖4不同驅動鉆頭扭矩下的隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

3結語

為進一步有效控制隧道及巖溶沉降速率，本研究利用FLAC3D軟件構建三維隧道模型，研究沉降速率變化規律及爆破進尺和驅動鉆頭扭矩對隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率的影響，得出主要結論如下：（1）當采用鉆爆法時，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率均較大。而采用三臂鑿巖掘進時，隧道橫斷面拱頂及隧道縱向的沉降速率均發生明顯下降現象。采用三臂鑿巖掘進時，巖溶頂部隨著開挖時間增加，沉降速率呈遞增趨勢，因此需要進一步優化三臂鑿巖及鉆爆法施工參數，降低巖溶頂部沉降速率。（2）當爆破進尺為2.5m時，隧道及巖溶沉降速率具有明顯的增加趨勢，為避免因沉降問題導致的施工延誤，可以將爆破進尺設定為 ，以平衡開挖速度和沉降控制之間的關系。（3）為避免驅動鉆頭扭矩過大，導致隧道及巖溶的沉降速率持續增加，驅動鉆頭扭矩應 ≤2000101?m?

參考文獻

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