沈碧偉，胡根生

（浙江省交通投資集團(tuán)有限公司，浙江杭州310020）

1 概述

在破碎圍巖中修建大跨度隧道如何限制超欠挖量和保證開挖面的穩(wěn)定性一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)。工程類比和現(xiàn)場試驗(yàn)一直是解決這一難題的主要方法，許多學(xué)者也用數(shù)值模擬法對(duì)此進(jìn)行了一些有益的探索。比如，模擬爆破開挖對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響[1]，爆破對(duì)隧道周邊應(yīng)力場分布特征的影響[2-3]，但是基于巖體中節(jié)理裂隙面的復(fù)雜性，定性研究成果居多，定量結(jié)果偏少。同時(shí)，大部分?jǐn)?shù)值模擬只是對(duì)施工情況進(jìn)行了規(guī)律總結(jié)，沒有很好地反饋施工。

本文基于工程實(shí)踐中遇到的困難，采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法對(duì)開挖方案進(jìn)行了比較分析，再結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，最后得出了比較理想的開挖方案，指導(dǎo)了掘進(jìn)開挖全過程，同時(shí)獲得了一些有用的結(jié)論。這一解決問題的過程和得出的結(jié)論可供同行酌情參考。

2 工程概況

本大跨度隧道位于新疆，主洞室總長259m（樁號(hào)為Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室開挖后設(shè)計(jì)凈跨14.36m，高10.6m，埋深112.4～138.4m，軸線角度為北偏西72°。《地質(zhì)勘察報(bào)告》顯示整個(gè)隧道均處于Ⅳ級(jí)[4]圍巖。主洞巖性為褐灰色中粗粒蝕變花崗巖，塊狀構(gòu)造，具輕微糜棱巖化。節(jié)理裂隙發(fā)育，有明顯1～12mm厚泥質(zhì)物充填。巖石主要由云母、正長石、石英及暗色礦物組成。X共軛節(jié)理發(fā)育，第一主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀310°～320°∠65°～75°，第二主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀90°～100°∠5°～10°，致使基巖碎塊多在5～200cm。第三主結(jié)構(gòu)面與隧道軸線平行，產(chǎn)狀198°∠37°。整個(gè)項(xiàng)目的工程地質(zhì)狀況變化很少。

3 初次方案定性分析

3.1 初次施工方案遇到的問題

項(xiàng)目部結(jié)合業(yè)主要求，為加快施工進(jìn)度，同時(shí)預(yù)知前方工程地質(zhì)詳細(xì)情況，確保安全文明施工，采用中下導(dǎo)洞法，二次擴(kuò)挖成全斷面（見圖1a）。該方法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）下導(dǎo)洞為二次擴(kuò)挖部分最大限度地創(chuàng)造了臨空面，大大提高了爆破效果；（2）可有效減少二次擴(kuò)挖部分的炮孔數(shù)量，節(jié)約了雷管、炸藥，經(jīng)濟(jì)效果明顯；（3）二次擴(kuò)挖的巖渣不需要二次倒運(yùn)，較臺(tái)階法施工更方便些，尤其在大斷面隧道施工中，可以充分發(fā)揮大型機(jī)械作業(yè)的優(yōu)勢，能有效地加快施工進(jìn)度。

根據(jù)鉆爆法掘進(jìn)原設(shè)計(jì)，詳細(xì)施工工序如下：開挖中下導(dǎo)洞（6m×6m）→主洞一次性擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)開挖面→挖機(jī)排險(xiǎn)、出渣→噴射混凝土→打設(shè)系統(tǒng)錨桿→編織鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土。

擴(kuò)挖掘進(jìn)中每一排炮均有掉塊，小塌方不斷，發(fā)生過多次中、大塌方，超欠挖非常嚴(yán)重。鑒于開挖后施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿的風(fēng)險(xiǎn)很大，工人不敢進(jìn)場施工，項(xiàng)目部暫停施工解決問題。

3.2 問題定性分析

根據(jù)工程概況，第一主結(jié)構(gòu)面傾向與隧道擴(kuò)挖掘進(jìn)方向基本一致，傾角為70°左右，巖層厚度為0.8m，巖層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。前一排炮爆破掘進(jìn)后，開挖面前方巖體內(nèi)部的節(jié)理面在爆破振動(dòng)下張開，再加上下導(dǎo)洞是一個(gè)臨空面，巖體就會(huì)順第一主結(jié)構(gòu)面向下導(dǎo)洞滑動(dòng)。因此中下導(dǎo)洞法有2方面缺點(diǎn)：（1）下導(dǎo)洞導(dǎo)致施工過程中掌子面凹凸不平（深淺距離約2m），施工實(shí)際布設(shè)炮孔偏離設(shè)計(jì)的要求，偏差很大，甚至存在部分掌子面上不能夠打鉆炮眼，進(jìn)而導(dǎo)致在爆破以后巖塊的塊度不均勻，使得局部巖體破碎嚴(yán)重[8]；（2）掌子面凹凸不平導(dǎo)致炮眼的最小抵抗線方向變化多端，周邊眼爆破過程中爆生氣體和應(yīng)力波作用方向不容易控制，光面爆破效果不佳，容易造成爆生裂隙，對(duì)圍巖的損傷較重。

3.3 問題的初步措施

根據(jù)上述問題，項(xiàng)目部組織召開專家論證會(huì)，會(huì)議得出了如下意見：（1）為增加開挖面的穩(wěn)定性，頂拱抬高0.8m；（2）加密周邊眼的間距至0.4m；（3）采用4m長超前小導(dǎo)管注漿加固；（4）巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，為增加施工過程的安全性，建議先編織鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土，后施作錨桿。更改后的施工工序如下：主洞一次性擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)開挖面→挖機(jī)排險(xiǎn)、出渣→人工排險(xiǎn)、第一次噴射混凝土→架立鋼拱架→編織鋼筋網(wǎng)→頂拱第二次噴射混凝土→打設(shè)系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管→將系統(tǒng)錨桿和小導(dǎo)管與鋼拱架焊接牢固→第三次噴射混凝土。

采取以上方案后，施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿過程中的安全度顯著提高，但是擴(kuò)挖后排險(xiǎn)出渣的過程中，小塌方和掉塊還是不斷，平均線性超挖值達(dá)到了400mm。因此，本文通過定性分析和數(shù)值模擬2種方法，著重對(duì)中下導(dǎo)洞法的可行性進(jìn)行研究。

4 開挖方案的數(shù)值模擬分析

4.1 模擬范圍及參數(shù)

隧道軸線方向?yàn)閥軸，水平垂直軸線方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閦軸，進(jìn)行分析的范圍為115m×120m。雖然從理論上講，三維分析軟件能全面準(zhǔn)確模擬開挖的全過程，但是鑒于三維分析模型的圍巖參數(shù)取值較困難，巖體眾多節(jié)理建模較復(fù)雜，本文采用二維數(shù)值分析軟件，數(shù)值模擬中不考慮走向與隧道軸線成大角度的第一、二主結(jié)構(gòu)面，只考慮走向與軸線平行的第三主結(jié)構(gòu)面。在數(shù)值模擬中考慮圍巖全部節(jié)理裂隙不現(xiàn)實(shí)，本文假設(shè)圍巖的性質(zhì)是均勻的，同時(shí)不考慮爆破振動(dòng)對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的影響，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。采用全長水泥砂漿粘結(jié)型錨桿支護(hù)，錨桿選用?22mm螺紋鋼筋，長3m，縱橫間距為1.0m×1.0m；噴射混凝土的厚度為18cm；錨桿和噴射混凝土的物理力學(xué)參數(shù)見表2。為方便建模，只考慮與開挖面最近的第三主結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)見表3。各開挖方案見圖1。

表1 周邊圍巖物理力學(xué)參數(shù)[5-6]

圍巖采用摩爾庫倫模型、四邊形單元，結(jié)構(gòu)面采用接觸單元，噴射混凝土采用梁單元，錨桿采用桿單元，真實(shí)模擬一個(gè)施工循環(huán)過程（導(dǎo)洞開挖→擴(kuò)挖→打設(shè)錨桿+噴射混凝土→噴射混凝土硬化）。僅受自重場作用。統(tǒng)一建立幾何模型，隧道開挖面、錨桿及開挖面附近的單元加密，自動(dòng)生成四邊形單元。中下導(dǎo)洞法計(jì)算模型見圖2。

表2 錨桿和噴射混凝土物理力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)[7]

4.2 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算結(jié)果中選擇隧道周邊塑性區(qū)分布情況來分析應(yīng)力場。由于只考慮自重場的作用，故只選擇頂拱開挖面垂直位移來查看隧道周圍的變形情況。本文分別對(duì)中下導(dǎo)洞法、全斷面法、左下導(dǎo)洞法、右下導(dǎo)洞法和上臺(tái)階法等的掘進(jìn)支護(hù)施工全過程進(jìn)行了計(jì)算，但是鑒于本文的研究重點(diǎn)是擴(kuò)挖后開挖面的穩(wěn)定性，在此只討論擴(kuò)挖后的圍巖松動(dòng)圈、開挖面變形和周邊應(yīng)力場的分布。

中下導(dǎo)洞法擴(kuò)挖后最大主應(yīng)力見圖3，頂拱開挖面主應(yīng)力最大值為0.05N/mm2；中下導(dǎo)洞法擴(kuò)挖后垂向位移見圖4，頂拱沉降最大值為26.6mm。限于篇幅，只羅列其他方案的計(jì)算結(jié)果，不列出圖片，數(shù)值見表4。

圖1 開挖方案簡圖

圖2 中下導(dǎo)洞法單元?jiǎng)澐?/p>

圖3 中下導(dǎo)洞法第一主應(yīng)力圖（N/mm2）

4.3 結(jié)果分析

由圖4可知，中下導(dǎo)洞法頂拱三角形區(qū)域（垂向位移大于1cm）的形狀、尺寸與實(shí)際塌方體基本一致，因此可得出本文的參數(shù)取值能定性地反映開挖面的實(shí)際情況。從3方面考慮，開挖方案的優(yōu)先順序見表5。

圖4 中下導(dǎo)洞法垂向位移（mm）

表4 各方案數(shù)值模擬結(jié)果

表5 開挖方案的優(yōu)先順序

頂拱第一主應(yīng)力最大值均沒有超過圍巖的抗拉強(qiáng)度0.49MPa，圍巖沒有破壞，這與實(shí)際情況不符。這有2方面原因：一是數(shù)值模擬中物理參數(shù)的取值假設(shè)巖體是均勻的；二是爆破會(huì)造成節(jié)理裂隙的應(yīng)力集中。因此，從第一主應(yīng)力角度來看，造成開挖面應(yīng)力過大的主要原因不是開挖方案而是爆破擾動(dòng)，可以優(yōu)先選用爆破擾動(dòng)最小的全斷面開挖方案。

5 方案選定

由表4和表5可知，首先排除各方面條件均不是最佳的中下導(dǎo)洞法和右下導(dǎo)洞法。雖然從數(shù)值計(jì)算結(jié)果來看，左下導(dǎo)洞法各方面指標(biāo)都比較好，是一個(gè)可選方案，但是本文二維數(shù)值模擬只考慮第一主結(jié)構(gòu)面，由本文第3.2節(jié)可知，采用下導(dǎo)洞法，第二主結(jié)構(gòu)面對(duì)開挖面的穩(wěn)定性影響也很大。因此，建議排除左下導(dǎo)洞法。

全斷面法和上臺(tái)階法各方面指標(biāo)均處于合理區(qū)間，第二、三主結(jié)構(gòu)面對(duì)2方案的影響也不大，從施工便利性和經(jīng)濟(jì)合理性角度，首先選用全斷面法，其次選用上臺(tái)階法。

本項(xiàng)目接下來停止開挖導(dǎo)洞，采用全斷面法光面爆破掘進(jìn)，施工工序與第3.3節(jié)基本一致，只是缺少了下導(dǎo)洞開挖這一道工序。雖然偶爾還有掉塊，但是掌子面平整度（深淺距離約0.4m）和開挖面安全性顯著提高，采用挖機(jī)排險(xiǎn)后，頂拱不發(fā)生坍塌，平均線性超挖值已經(jīng)小于150mm。接下來單方向掘進(jìn)月進(jìn)尺約70m，按計(jì)劃完成了掘進(jìn)支護(hù)工作。

6 結(jié)論

本文結(jié)合Ⅳ級(jí)圍巖大跨度山嶺隧道掘進(jìn)中遇到的困難，采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法提出了可行方案，解決了問題，最后整理得出了如下結(jié)論：

（1）與導(dǎo)洞法和臺(tái)階法相比，全斷面法只對(duì)圍巖擾動(dòng)一次，可以很好地控制開挖面主應(yīng)力和圍巖變形。只要控制好周邊眼的間距，加以超前小導(dǎo)管注漿等輔助措施，在Ⅳ級(jí)圍巖大跨度山嶺隧道中同樣可以采用全斷面法掘進(jìn)。本項(xiàng)目一次平均進(jìn)尺2m。

（2）數(shù)值模擬可以在節(jié)理裂隙發(fā)育的山嶺隧道開挖方案比較中得到應(yīng)用。由于很難真實(shí)模擬整座山，模型得出的數(shù)據(jù)不一定與實(shí)際一致，但是模型能得出與實(shí)際類似的規(guī)律，且能對(duì)各方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比較，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，就能指導(dǎo)工程少走彎路。

（3）Ⅳ級(jí)圍巖大跨度山嶺隧道中遇到主結(jié)構(gòu)面的傾向與隧道掘進(jìn)方向一致的情況，建議不采用下導(dǎo)洞法，提議采用全斷面法或上臺(tái)階法光面爆破掘進(jìn)。

[1] 余永強(qiáng),路耀邦,楊小林,等.翔安海底隧道爆破開挖圍巖松動(dòng)圈數(shù)值模擬及測試分析[J].金屬礦山,2011（8）:53-59.

[2] 龍?jiān)?馮長根,徐全軍,等.爆破地震波在巖石介質(zhì)中傳播特性與數(shù)值計(jì)算研究[J].工程爆破,2000,6(3):1-7.

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[5] 林宗元.巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊[M].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

[6] 林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

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