陳 亮，曾永軍

（廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心，廣東 揭陽 515325）

1 工程概況

揭惠高速A1合同段小北山1號隧道穿過低緩山嶺地貌區(qū)，為高速公路雙向4車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，隧道最大埋深約280m。ZK16+428～ZK16+518段設(shè)計(jì)為V級圍巖，設(shè)計(jì)表述該段圍巖主要由微風(fēng)化花崗巖、輝長巖、斷層角礫巖組成，巖質(zhì)較硬～堅(jiān)硬，F(xiàn)3斷層在ZK16+550處與隧道大角度相交，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～破碎，應(yīng)預(yù)防掉塊、坍塌問題，并采取加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)（JQ-Va）。

2 建立數(shù)值模型

對于隧道斷層富水段的計(jì)算，采用FLAC3D有限元法計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。本模型采用的長度為60m，模型的邊界取為沿隧道中線向外取110m，縱向長度取60m，模型下部取中心線以下73m，水頭高度為170m（見圖1）。圍巖、加固圈和襯砌均采用實(shí)體單元模擬，圍巖和加固圈均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系，襯砌單元采用彈性本構(gòu)，模型底部、四周采用自由場邊界。V級圍巖狀況下，采用斷層處的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬。

圖1 隧道計(jì)算模型

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 不同臺階長度對初支結(jié)構(gòu)的影響

選取五種不同臺階長度（2m、4m、6m、8m、10m）的情況進(jìn)行對比和統(tǒng)計(jì)。選取第一和第三主應(yīng)力分布圖，為了盡量減小邊界效應(yīng)，選取30m處的平面來對比（見圖2～圖11）。

圖2 2m臺階初支第一主應(yīng)力

圖3 2m臺階初支第三主應(yīng)力

圖4 4m臺階初支第一主應(yīng)力

圖5 4m臺階初支第三主應(yīng)力

由圖2～圖11可以看出，隧道的最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱肩初支的內(nèi)側(cè)，而隧道的最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂初支的內(nèi)側(cè)位置和仰拱處初支的內(nèi)側(cè)，而且隨著臺階的不同應(yīng)力值略有差異。為了更好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)的差異，制作不同臺階長度施作隧道初支主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)表（見表1）。

圖6 6m臺階初支第一主應(yīng)力

圖7 6m臺階初支第三主應(yīng)力

圖8 8m臺階初支第一主應(yīng)力

圖9 8m臺階初支第三主應(yīng)力

圖10 10m臺階初支第一主應(yīng)力

圖11 10m臺階初支第三主應(yīng)力

表1 不同臺階長度主應(yīng)力值

由表1可以看出，不同臺階長度開挖時(shí)，隧道初支受力差異很小，對于初支受力的趨勢，其中第一主應(yīng)力變化幅度比較小，且基本呈線性關(guān)系，而第三主應(yīng)力相對第一主應(yīng)力變化幅度大一些，但是總體來說變化還是很小。由于第三主應(yīng)力基本為19～20MPa，因此重點(diǎn)還是需要注意初支的抗拉強(qiáng)度。

3.2 不同臺階長度對隧道位移的影響

開挖后，洞周圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)部的位移，即洞周收斂。洞室的豎向位移相對較大，在計(jì)算分析中，洞周收斂變形主要是對拱頂沉降、仰拱隆起的位移收斂情況進(jìn)行分析，下面就這些方面展開研究。

對于這5種工況，位移各不相同，為了盡量減小邊界效應(yīng)，選取30m處的平面來對比（見圖12～圖21）。

根據(jù)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)，可以列出不同臺階長度開挖狀態(tài)下各點(diǎn)豎向位移（見表2、表3）。

由表2、表3可以看出：（1）隨著臺階長度的變化，掌子面全斷面初期支護(hù)閉合時(shí)間對應(yīng)延長，掌子面的拱頂沉降增加不大，掌子面底部隆起同樣增量不大，從而說明隧道臺階開挖長度相對掌子面處的拱頂沉降和底部隆起影響微弱。（2）拱頂沉降的最大變化值發(fā)生在隧道斷面上臺階開挖階段，而下臺階的開挖對其產(chǎn)生的作用相對較小；仰拱位移在上臺階開挖有較大隆起位移，產(chǎn)生的沉降值也較大；下臺階開挖時(shí)段亦有較大隆起位移，但開挖完成后隆起值趨于穩(wěn)定，后期無明顯變化。

表2 不同臺階長度豎向位移

表3 掌子面位移 單位：cm

圖12 2m臺階隧道橫向位移

圖13 2m臺階隧道豎向位移

圖14 4m臺階隧道橫向位移

圖15 4m臺階隧道豎向位移

圖16 6m臺階隧道橫向位移

圖17 6m臺階隧道豎向位移

圖18 8m臺階隧道橫向位移

圖19 8m臺階隧道豎向位移

圖20 10m臺階隧道橫向位移

圖21 10m臺階隧道豎向位移

4 結(jié)束語

通過對小北山1號隧道斷層帶所處地質(zhì)條件下，隧道上下臺階法施工過程中不同臺階長度對比分析，得出以下結(jié)論：隧道采用上下臺階法施工時(shí)，隧道拱頂沉降、底部隆起的差距不明顯；隨著臺階長度的增加，拱腳的相對位移最大值不斷增加，主要是上臺階增加，而拱頂沉降增幅不大；初期支護(hù)最大拉應(yīng)力先變大后變小，臺階長度在5m左右的砼拉應(yīng)力最大，下臺階開挖長度對掌子面擠出位移約束效果明顯。

綜合各方面因素，建議選擇8～10m臺階長度的范圍，可以使隧道的變形和受力處在一個(gè)可控水平。上述所得臺階長度既保證了掌子面擠出位移約束效果最佳，同時(shí)保證及時(shí)的初期支護(hù)封閉呈環(huán)，有利于掌子面穩(wěn)定。