（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

一、引言

破碎的圍巖屬于隧道施工常見的不良地質(zhì)之一，施工過程中易遇到大變形、坍塌等風(fēng)險。節(jié)理裂隙發(fā)育和巖體破碎將導(dǎo)致隧道的不平衡受力，這會使隧道拱圈變形，甚至破壞隧道結(jié)構(gòu)。由于節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所處的工程地質(zhì)環(huán)境條件甚為復(fù)雜，導(dǎo)致圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互共同作用機(jī)理較普通隧道更為復(fù)雜。目前，不同程度破碎圍巖對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響程度、不同開挖工法對圍巖穩(wěn)定性影響等問題均未得到有效解決。若采用施工工法不當(dāng)，很有可能造成施工過程中的隧道塌方，對施工安全、質(zhì)量、工期產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響。

隧道坍塌形式主要表現(xiàn)在三種類型：掌子面的塌陷、掌子面前方土體頂部的坍塌及無支撐段拱頂坍塌。本文針對烏魯木齊繞城高速葛家溝隧道ZK42+960～ZK43+570（Ⅳ級圍巖）段的施工，對不同施工工法下未支護(hù)段拱頂塑性區(qū)分布情況和掌子面穩(wěn)定性開展理論分析和數(shù)值模擬研究，以確定合適的施工參數(shù)。具體分析工況如表1所示。

二、基于未支護(hù)段拱頂穩(wěn)定性的工法適用性分析

隧道拱頂圍巖自穩(wěn)性較強(qiáng)，但如果上臺階高度開挖過大，特別是在圍巖較為破碎情況下，拱頂易發(fā)生垮塌。本文基于巖體塊體理論，對拱頂巖體未支護(hù)條件下的極限范圍進(jìn)行分析，并計(jì)算上臺階高度限制，建立了有限計(jì)算模型進(jìn)行分析。隧道拱頂節(jié)理塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析公式為：，式中：l3為節(jié)理松動塊體的寬度；l2和l1分別為節(jié)理面長度；c1和c2分別為節(jié)理面1和2的黏聚力；α和β分別為節(jié)理面1和2的傾角；γ為巖體重度。拱頂塊體穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)Fs＞2時，塊體不穩(wěn)定；當(dāng)Fs＜2時，塊體穩(wěn)定。

根據(jù)巖體塊體理論，對拱頂巖體無支護(hù)條件下的極限范圍進(jìn)行分析，采用式1的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出上臺階高度的限值，分析時假定拱頂為對稱破壞，即l1=l2。為分析未支護(hù)條件下拱頂巖體的穩(wěn)定性，設(shè)定拱頂無支護(hù)角度范圍為定值，通過調(diào)整塊體的邊長l1或l2來獲得該無支護(hù)角度范圍下的穩(wěn)定性系數(shù)。拱頂無支護(hù)角度范圍工況包括：60°、90°、120°、150°。

表1 支護(hù)部分、掌子面工況分析表

無支護(hù)角度區(qū)間下的穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計(jì)值如表2所示，結(jié)合拱頂塊體穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)Fs＞2時塊體失穩(wěn)，F(xiàn)s＜2時塊體穩(wěn)定?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在120°范圍內(nèi)是否有支護(hù)是拱頂巖體穩(wěn)定關(guān)鍵性，相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)為2.05，根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)圖可知，在120°無支護(hù)區(qū)間對應(yīng)的上臺階高度為3.6m，上臺階高度應(yīng)控制在3.6m以下，因此，采用三臺階法開挖。

表2 拱頂不同無支護(hù)范圍下的巖體穩(wěn)定性系數(shù)

表3 計(jì)算結(jié)果分析

為驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立了二維有限元模型。其中模型埋深為60m，巖體等效荷載作用，采用摩爾庫倫模型分析巖體本構(gòu)，計(jì)算參數(shù)：E=1GPa，c=200kPa，ψ=21°，采用臺階法開挖，假設(shè)上臺階高度為5m并且開挖矢跨比為0.405。

建立有限元模型，以左洞埋深最大的區(qū)域進(jìn)行分析，分別對兩臺階與三臺階開挖工法進(jìn)行分析，確定合理施工參數(shù)。

開挖完成上臺階后，在未支護(hù)條件下，拱頂上部會出現(xiàn)較大的塑性區(qū)域，在不改變其他邊界條件的情況下，假設(shè)上臺階高度為3.5m，開挖矢跨比為0.309，在開挖上臺階完成后，未進(jìn)行支護(hù)狀態(tài)，拱頂上部未發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)，巖體自穩(wěn)態(tài)勢較好，施工措施得當(dāng)，同時質(zhì)量控制符合要求時，不會發(fā)生塌方狀況。

如表3所示，理論與有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，為保證開挖進(jìn)尺未支護(hù)段拱頂?shù)姆€(wěn)定性，上臺階高度應(yīng)確定在3.5m以下。據(jù)此應(yīng)采用三臺階法開挖。

三、掌子面穩(wěn)定性分析

由上節(jié)分析計(jì)算可知，掌子面開挖方法采用三臺階法（臺階高度3.5m）能保證未支護(hù)段拱頂巖體的穩(wěn)定性，但是不能確定掌子面在開挖過程中是否會有較大的塑性區(qū)域變形，引發(fā)掌子面塌方連鎖反應(yīng)。在掌子面開挖過程中采用相同的輔助加固措施的情況下，結(jié)合現(xiàn)場情況并建立有限元模型，進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性分析，主要有正三臺階開挖、三臺階開挖預(yù)留核心土兩種工法。

正三臺階開挖步序如圖1所示，根據(jù)施工時實(shí)際支護(hù)情況建立三維有限元模型如圖2所示，巖土體參數(shù)及支護(hù)參數(shù)與上文相同。

圖1 正三臺階開挖步序

圖2 正三臺階錨噴支護(hù)

在掌子面出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)域。將施工段地勘資料及巖體節(jié)理發(fā)育且?guī)r層粘結(jié)性較差的實(shí)際情況結(jié)合分析，采用正三臺階法開挖發(fā)生較大范圍的掌子面垮塌的風(fēng)險較大。

表4 計(jì)算結(jié)果分析

施工中采用的輔助加固措施與正三臺階開挖模擬時設(shè)置的支護(hù)參數(shù)相同。

掌子面范圍內(nèi)只出現(xiàn)小部分的塑性區(qū)，巖體自穩(wěn)態(tài)較好，在確保輔助支護(hù)措施施工到位的情況下，不會發(fā)生大范圍塌方。

在葛家溝隧道施工過程中，對比分析了正三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法兩種開挖工藝，對采用不同開挖方法下采用15cm噴射混凝土封閉掌子面的效果同樣進(jìn)行了有限元模擬分析，計(jì)算分析結(jié)果如表4所示。

四、葛家溝隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)已封閉成環(huán)的ZK43+350和ZK43+355段監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表5、表6），ZK43+350 最終水平收斂為2.16mm，拱頂沉降為5.1mm；ZK43+355最終水平收斂為1.82mm，拱頂沉降為5.69mm。隧道圍巖變形較小，未出現(xiàn)掉塊、塌方等現(xiàn)象，表明施工工法能夠有效控制圍巖變形，降低破碎圍巖段塌方風(fēng)險。

五、結(jié)語

針對葛家溝隧道大跨度破碎圍巖段施工，采用理論分析、有限元數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證等方法，通過圍巖變形、塑性區(qū)等穩(wěn)定性判據(jù)對施工工法及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了綜合分析比選，得出結(jié)論如下。

大跨度破碎圍巖隧道施工易發(fā)生拱頂塌方，選擇合理的上臺階高度和跨矢比對確保圍巖穩(wěn)定性具有重要意義。通過節(jié)理塊體穩(wěn)定性分析和有限元數(shù)值模擬，初步確定了三臺階法施工工法。

采用三臺階預(yù)留核心土法的工法，同時開挖后及時封閉掌子面，可以保證圍巖掌子面開挖過程中產(chǎn)生較小的塑性變形，有效保證施工安全。

監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用上述理論分析及計(jì)算選取的工法及參數(shù)進(jìn)行隧道施工，隧道圍巖變形較小，未出現(xiàn)掉塊、塌方等現(xiàn)象，表明施工工法能夠有效控制圍巖變形，降低破碎圍巖段塌方風(fēng)險。

表5 水平收斂

表6 拱頂沉降