軟巖大斷面隧道安全施工步距數(shù)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(xiàn)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(shè)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(shè)計開挖工法：V 級圍巖采用雙側(cè)壁工法。

根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》Ⅴ級及以上圍巖：仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離≤50 m，二襯距掌子面最遠(yuǎn)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(yè)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(dǎo)致前方掌子面爆破作業(yè)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(diào)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(yè)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(yè)面爆破產(chǎn)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(wěn)定的問題。李凱[2]通過查閱相關(guān)資料及行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查情況后看，隧道施工安全步距現(xiàn)有規(guī)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(xiàn)安全步距不符合規(guī)范要求，需結(jié)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(jié)論證明200 m 考慮了隧道施工中各工序平行流水作業(yè)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(wěn)定的充足時間。郭鴻雁[5]指出目前關(guān)于傳統(tǒng)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(guān)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(tài)優(yōu)化。

2 隧道施工安全步距研究現(xiàn)狀

根據(jù)以上研究結(jié)果，本研究將V 級圍巖下仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離由原方案50 m 調(diào)整為≤128 m，二襯距掌子面最遠(yuǎn)端距離由原方案≤70 m 調(diào)整為≤179 m。修改后的仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離調(diào)整后大于規(guī)范要求；修改后的二襯距掌子面最遠(yuǎn)端距離滿足《高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)指南》的小于200 m 要求，不滿足《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)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(shù)值模擬軟件分析了隧道變形，應(yīng)力，安全系數(shù)，以驗證安全性。

3 FLAC3D 數(shù)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(jié)論正確性要求，對模型的建立和分析評估提出了以下假設(shè)：

（1） 模型采用地層- 結(jié)構(gòu)模型進行評估，選取大于評估結(jié)構(gòu)對象的建模范圍。

（2） 本次評估過程中簡化機械及施工復(fù)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(jié)構(gòu)及地層均采用實體單元進行模擬。

部分圍巖參數(shù)見表1。

表1 部分圍巖參數(shù)

3.2 評估模型建立

項目工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為準(zhǔn)確分析并預(yù)測隧道施工的安全影響，并考慮隧道開挖的空間效應(yīng)，因此采用有限差分評估軟件FlAC3D 進行三維數(shù)值分析，建立三維有限元模型。土體采用摩爾- 庫倫本構(gòu)。該土體本構(gòu)可模擬初次加載- 卸載- 再加載之間的剛度差別?？紤]實際工程的復(fù)雜性、周邊環(huán)境敏感性、數(shù)值計算精度、計算速度等，確定模型尺寸以及邊界條件?；诒竟こ痰膶嶋H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(cè)壁導(dǎo)坑法整體模型

在本次模擬計算中，X 方向?qū)?yīng)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?qū)?yīng)隧道開挖方向；Z 方向?qū)?yīng)豎直方向（即埋深方向），Z 方向位移正值表示隆起，負(fù)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(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。根據(jù)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(jié)構(gòu)及圍巖的變形和受力做出合理的預(yù)測。

4 FLAC3D 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 隧道拱頂變形

為探究V 級圍巖中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法原設(shè)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(jié)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(diào)整后隧道拱頂沉降變形曲線

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全步距調(diào)整前后隧道拱頂沉降變形曲線

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)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(diào)整前后拱頂沉降對比如表2 所示。

表2 安全步距調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)整后隧道水平變形曲線

安全步距調(diào)整前后隧道水平變形對比如表3 所示。

表3 安全步距調(diào)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(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)應(yīng)力

本研究利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，按照隧道開挖施工工序，對安全步距調(diào)整前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行模擬計算，結(jié)果如表4 所示。

表4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

從表4 中所列模擬計算結(jié)果可以看出，原安全步距下隧道初支的最大主應(yīng)力值為0.510 21 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主應(yīng)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(yīng)力值為0.447 53 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主應(yīng)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(diào)整后隧道初支的最大主應(yīng)力值為0.794 98 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主應(yīng)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(diào)整后隧道二襯最大主應(yīng)力值為0.559 35 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主應(yīng)力值為8.835 8 MPa，小于按制值21.5 MPa，均滿足安全強度。

結(jié)束語

本研究利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對軟弱圍巖隧道（V 級）施工安全步距調(diào)整前后進行了變形和應(yīng)力分析，結(jié)果表明，安全步距的調(diào)整對隧道主體結(jié)構(gòu)安全影響程度不大，各項模擬計算結(jié)果依然滿足規(guī)范限值要求。模擬計算結(jié)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(xiàn)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(fēng)險較大。必須嚴(yán)格按照設(shè)計方案實施超前小導(dǎo)管注漿，加強導(dǎo)管注漿管理，并結(jié)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(jié)合的方式，保證掌子面作業(yè)安全。