蒲實

[摘? 要]：隧道智能建造相較于傳統(tǒng)隧道施工具有施工效率高、作業(yè)人員少、施工質(zhì)量有保證等優(yōu)點，而全斷面或微臺階開挖是隧道智能機械化施工實現(xiàn)的重要前提，因此為了適應(yīng)隧道智能機械化施工，隧道初期支護體系和工法都要作相應(yīng)調(diào)整。文章在全斷面和微臺階開挖條件下，分析Ⅴ級圍巖初期支護施工期安全性，通過分析評判指標(biāo)給出該型初期支護是否能夠在相同地層條件下進行施工。

[關(guān)鍵詞]：公路隧道; 開挖工法; 超前預(yù)支護; 系統(tǒng)錨桿; 安全性評價; 數(shù)值模擬

U453.49A

G4216線寧南至攀枝花段高速公路位于涼山彝族自治州和攀枝花市境內(nèi)，是謀劃中國經(jīng)濟新棋局作出的既利當(dāng)前又惠長遠的重大戰(zhàn)略決策。當(dāng)前各行各業(yè)都處于由傳統(tǒng)制造向互聯(lián)網(wǎng)智能化方向發(fā)展的歷史洪流當(dāng)中，而工程建設(shè)行業(yè)還是相當(dāng)落后，因此從提高隧道施工效率、保證施工質(zhì)量以及確保施工安全的角度出發(fā)，機械化、少人化以及智能化是隧道工程建設(shè)亟待解決的重大課題。

本文以特長隧道火山隧道為例，采用數(shù)值模擬對Ⅴ級圍巖微臺階、全斷面開挖的初期支護體系進行安全性評價分析。

1 計算模型建立

計算模型邊界條件：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取35 m，模型沿隧道縱向取20 m，埋深為60 m。兩側(cè)施加水平方向的位移約束，與隧道軸線垂直的前后兩側(cè)施加沿軸向的位移約束，底部邊界施加垂直方向的位移約束，頂部為自由表面，不進行約束。

各級圍巖參數(shù)參考JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》。Ⅰ型初期支護系統(tǒng)參數(shù)：初期支護為24 cm的C30噴射混凝土，系統(tǒng)錨桿C22藥卷錨桿，長度3.0 m，超前支護為42 mm注漿導(dǎo)管，長度為6 m，采用微臺階開挖;Ⅱ型初期支護系統(tǒng)參數(shù)：初期支護為24 cm的C30噴射混凝土，系統(tǒng)錨桿直徑為C22藥卷錨桿，長度3.0 m，超前支護為50 mm小導(dǎo)管，長度為6 m，采用全斷面開挖（表1）。計算中圍巖、初期和二襯均采用6面體單元進行模擬，鋼拱架的作用采用等效的方法考慮到初期支護中，系統(tǒng)錨桿采用Cable單元模擬，超前支護采用Pile單元模擬（圖1～圖4）。

為了消除邊界效應(yīng)，2種工況均以y=10 m為目標(biāo)面進行分析，得出初期支護位移、軸力和彎矩，并計算出安全系數(shù)。

2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果見圖5、圖6、表2。

2.1 Ⅴ級圍巖微臺階開挖

通過豎向位移云圖可知，微臺階法開挖拱頂?shù)呢Q向位移為8.65 mm，拱肩位移收斂值為3.98 mm，拱腰位移收斂值為6.21 mm，初期支護在施工過程中位移逐漸收斂，并且均未超過初期支護變形控制基準(zhǔn)值，初期支護不會侵限。

從塑性區(qū)的分布可知，塑性區(qū)主要分布在拱頂、拱墻和拱腳位置，拱墻位置與拱腳位置的塑性區(qū)相互連通，施工過程中應(yīng)重點關(guān)注拱墻位置，該區(qū)域內(nèi)容易出現(xiàn)掉塊、塌方等情況，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格落實系統(tǒng)錨桿的施作（圖7）。

由于超前支護的作用，拱頂在超前支護的梁作用下，限制了拱頂圍巖的松弛，有效抑制了松動圈的擴大。

通過獲取隧道開挖后拱頂?shù)呢Q向位移，洞周的收斂位移，掌子面擠出位移，塑性區(qū)的分布等，并通過初期支護的安全系數(shù)綜合評價施工安全性。初期支護評判指標(biāo)如表2所示。

對于安全系數(shù)而言，上下臺階開挖，安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.53，各階段施工都是安全的。初期支護封閉成環(huán)后，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在隧道拱腰處，左拱腳為3.26，右拱腳為3.28。

2.2 Ⅴ級圍巖全斷面開挖

計算結(jié)果見圖8～圖10、表3。

初期支護評判指標(biāo)如表3所示。

對于安全系數(shù)而言，上下臺階開挖，安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.53，各階段施工都是安全的。初期支護封閉成環(huán)后，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在隧道拱腰處，左拱腳為2.54，右拱腳為2.49。

3 結(jié)論

（1）通過對比2種襯砌支護參數(shù)下微臺階開挖和全斷面3.2開挖發(fā)現(xiàn)，Z5jb（Ⅰ）型初期支護的最小安全系數(shù)為3.26，Z5jb（Ⅱ）型初期支護的最小安全系數(shù)為2.49，均滿足規(guī)范規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn)1.53，兩種支護參數(shù)條件下均能保證隧道施工安全。

（2）2種工法塑性區(qū)均分布在拱頂、拱墻和拱腳位置，拱墻與拱腳的塑性區(qū)相互連通，施工過程中應(yīng)重點關(guān)注拱墻位置，該區(qū)域內(nèi)容易出現(xiàn)掉塊、塌方等情況，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格落實系統(tǒng)錨桿的施作。

（3）對比分析2種工法拱頂塑性區(qū)，采用上下臺階法+42 mm超前小導(dǎo)管的塑性區(qū)小于全斷面法+50 mm超前管棚的塑性區(qū)，由此可以說明在圍巖較差地段，預(yù)留核心土是控制圍巖變形和松弛的關(guān)鍵措施。

參考文獻

[1] 魏新元，解亞龍，王萬齊，等.復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路智能建造技術(shù)應(yīng)用[J].中國鐵路，2021（4）：9-19.

[2] 韓自力.高速鐵路隧道智能建造關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].鐵道建筑，2020，60（4）：9-16.

[3] 王同軍.我國鐵路隧道智能化建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國鐵路，2020（12）：1-9.

[4] 遲鳳霞，詹偉，嚴(yán)鑫，等.浙江省公路隧道科技創(chuàng)新發(fā)展方向展望[J].科技資訊，2021，19（11）：12-15+19.

[5] 郭鴻雁，張曉龍，蘇軍偉，等.公路隧道Ⅳ級圍巖段機械化全斷面施工步距控制研究[J].公路交通技術(shù)，2020，36（6）：98-102+108.

[6] 黃維科，陳加寶，張利斌，等.龍昌公路隧道Ⅳ級圍巖大斷面機械化施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)（中英文），2020，40（8）：1203-1210.

[7] 辛講合，白浪峰，馬建云.大斷面高速公路隧道機械化施工工法設(shè)計優(yōu)化研究[J].珠江水運，2019（13）：94-95.

[8] 王明年，張霄，趙思光，等.軟弱圍巖隧道機械化全斷面施工超前支護體系設(shè)計方法研究[J].鐵道學(xué)報，2020，42（8）：146-154.