摘要：為進(jìn)一步提高隧道施工的效率，大型機(jī)械配套設(shè)備全斷面施工的方式也不斷發(fā)展，而針對大斷面一次性開挖過程中的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析就顯得至關(guān)重要。文章依托某大型機(jī)械一次性全斷面開挖隧道工程，選用FLAC 3D軟件對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行開挖施工仿真計(jì)算分析。通過將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：（1）該隧道未支護(hù)時(shí)的安全系數(shù)為2.02，簡單初支后的安全系數(shù)為2.55，增大了26.24%，穩(wěn)定性得到了大幅的提升；（2）隧道開挖數(shù)值仿真計(jì)算中，各特征點(diǎn)位監(jiān)測值結(jié)果均符合規(guī)范要求，較現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果略??；（3）根據(jù)大型機(jī)械施工時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，各監(jiān)測值變化規(guī)律基本一致，其最終值均在設(shè)計(jì)強(qiáng)度和規(guī)范要求范圍內(nèi)，圍巖整體穩(wěn)定性良好。

關(guān)鍵詞：大型機(jī)械施工；大斷面隧道；圍巖穩(wěn)定性分析；FLAC 3D；現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：U451.+2 A 38 135 4

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，隧道占比不斷增加，其建設(shè)向著機(jī)械化、信息化的方向不斷發(fā)展，對建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)效率的要求也不斷提高，選用大型機(jī)械配套設(shè)備進(jìn)行施工的方式不但可以優(yōu)化施工環(huán)境，同時(shí)也保障了施工質(zhì)量，具有很大的使用價(jià)值和應(yīng)用前景，但其對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響尚不明確，對此大量學(xué)者進(jìn)行了研究。劉科［1］對采用大型機(jī)械和鉆爆法修建的某實(shí)際工程長大山嶺隧道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，認(rèn)為形變壓力計(jì)算方法更適合該隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌子面超前主動(dòng)支護(hù)更能確保圍巖穩(wěn)定性。張國偉等［2］針對隧道機(jī)械化施工的需求，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析對折疊式鋼桁架進(jìn)行了優(yōu)化，提高了其安裝質(zhì)量和效率。黃維科等［3］考慮到規(guī)范要求的Ⅳ級圍巖施工步距無法滿足大型機(jī)械施工要求，對某采用大型機(jī)械施工的工程實(shí)例選用動(dòng)態(tài)優(yōu)化安全步距的方式，結(jié)果表明，圍巖初支后，可適當(dāng)增大安全步距，使其既滿足大型機(jī)械施工要求，又能保障圍巖穩(wěn)定性。童建軍等［4］運(yùn)用極限平衡法推導(dǎo)了3種適合機(jī)械化施工的大斷面隧道的超前支護(hù)措施及相應(yīng)參數(shù)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，證明了該方法的合理性和實(shí)用性。常舒等［5］基于某工程實(shí)例，運(yùn)用FLAC 3D有限差分軟件對機(jī)械化施工隧道的地表沉降和初支變形進(jìn)行施工仿真分析，深入研究其變形規(guī)律。王志龍等［6］通過對實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行曲線回歸分析和數(shù)值仿真模擬的方式，確定了大斷面隧道機(jī)械化施工時(shí)，二次襯砌與掌子面最適宜的理論距離。

1 圍巖變形數(shù)值仿真

本文依托某實(shí)際隧道工程，該工程處于丘陵地區(qū)，采用以三臂鑿巖臺車為基礎(chǔ)的全套大型機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行全斷面機(jī)械化施工，采用爆破開挖的方式進(jìn)行，一次性開挖斷面大，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)性高，極易出現(xiàn)圍巖變形過大導(dǎo)致整體失穩(wěn)的情況［7］，故需對其進(jìn)行深入研究分析，對該工程在施工及運(yùn)營過程中的安全性提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1.1 基于強(qiáng)度折減法的圍巖穩(wěn)定性分析

圍巖主要有剪切和拉裂兩種破壞模式，考慮到隧道主要以受壓為主，而強(qiáng)度折減法可以反映圍巖因受壓而導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度降低的特征，符合其實(shí)際受力情況，因此可選用該方法對隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其原理如式（1）、式（2）所示。

c′=cFs（1）

tanφ′=tanφFs（2）

式中：Fs——隧道圍巖的強(qiáng)度折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減法判斷圍巖失穩(wěn)的依據(jù)一般有三種，分別為隧道圍巖塑性區(qū)域貫通、隧道圍巖穩(wěn)定性計(jì)算無法收斂和隧道圍巖特征位置位移發(fā)生突變?？紤]到塑性區(qū)貫通會(huì)導(dǎo)致所得強(qiáng)度折減系數(shù)偏小，圍巖計(jì)算不收斂主要依靠人為主觀確定，故而本文選用特征位置位移發(fā)生突變來判斷隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

選用FLAC 3D軟件進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)置模型總尺寸為120 m×1 m×87 m，其中隧道跨度為14.7 m，高度為12.23 m，埋置深度為30 m，設(shè)置進(jìn)行位移監(jiān)測的特征位置如下頁圖1所示。隧道選用0.25 m厚的C30混凝土進(jìn)行初支，0.45 m厚的C35混凝土二襯，但考慮到安全儲(chǔ)備的需要，本文僅對隧道毛洞和初支時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圍巖和初支模型均選用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，其材料參數(shù)如下頁表1所示。

未支護(hù)隧道在不同強(qiáng)度折減系數(shù)Fs下的豎向位移和水平位移如圖2所示。由圖2可知，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移和水平位移均逐漸增大。當(dāng)Fs較小時(shí)（Fs在1.00～1.75范圍內(nèi)），各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移、水平位移變化情況基本一致，其值也十分相近；當(dāng)Fs值逐漸增大，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值和水平位移值逐漸出現(xiàn)差異；當(dāng)Fs＞2.02時(shí)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值和水平位移值發(fā)生突變，增大明顯。故可確定未支護(hù)隧道的圍巖安全系數(shù)為2.02。而根據(jù)圖2中位移值變化規(guī)律可知，拱頂和拱肩的豎向位移對強(qiáng)度折減系數(shù)的變化比較敏感，而拱腰和邊墻的水平位移對強(qiáng)度折減系數(shù)的變化比較敏感，故而在大型機(jī)械全斷面法施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意加強(qiáng)拱頂、拱肩部位的豎向位移監(jiān)測以及拱腰、邊墻部位的水平位移監(jiān)測。

對隧道進(jìn)行初次支護(hù)后得到其在不同強(qiáng)度折減系數(shù)Fs下的豎向位移和水平位移如圖3所示。由圖3可知，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移和水平位移均逐漸增大。當(dāng)Fs較小時(shí)（Fs在1.00～2.05范圍內(nèi)），各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移、水平位移變化情況基本一致，其值也十分相近；當(dāng)Fs值逐漸增大，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值和水平位移值逐漸出現(xiàn)差異；當(dāng)Fs＞2.55時(shí)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值和水平位移值發(fā)生突變，增大明顯。故可確定初次支護(hù)隧道的圍巖安全系數(shù)為2.55，較未支護(hù)時(shí)增加了26.24%，即初支可以明顯提升隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。初支后強(qiáng)度折減系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的1.20～1.25，故可認(rèn)為該隧道初支后的穩(wěn)定性滿足施工安全的需求。而根據(jù)圖3中位移值變化規(guī)律可知，初次支護(hù)隧道圍巖的變形規(guī)律與未支護(hù)隧道圍巖的變形規(guī)律基本一致，拱頂和拱肩的豎向位移對強(qiáng)度折減系數(shù)的變化比較敏感，而拱腰和邊墻的水平位移對強(qiáng)度折減系數(shù)的變化比較敏感，故而在大型機(jī)械全斷面法施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意加強(qiáng)拱頂、拱肩部位的豎向位移監(jiān)測以及拱腰、邊墻部位的水平位移監(jiān)測。

1.2 基于實(shí)際工程的圍巖穩(wěn)定性分析

本文基于選用大型機(jī)械全斷面施工的實(shí)際工程情況，選用FLAC 3D軟件建立初次支護(hù)的隧道圍巖三維模型進(jìn)行隧道開挖仿真模擬，其模型如圖4所示。每次開挖深度為4 m。開始時(shí)，初支強(qiáng)度僅是總強(qiáng)度的10%，至下一次循環(huán)時(shí)，前一次初支強(qiáng)度恢復(fù)至100%。根據(jù)實(shí)際工程情況，模型Ⅵ級圍巖參數(shù)同前文；初次支護(hù)選用C30噴射混凝土，其厚度為20 cm，選用實(shí)體單元，設(shè)置為彈性模型；鋼桁架選用Ⅰ18型鋼，鋼架縱向間距為2.0 m，模型中選用Beam單元進(jìn)行模擬；低預(yù)應(yīng)力錨桿采用梅花形方式布置，環(huán)向間距為1.0 m，縱向間距為2.0 m，預(yù)應(yīng)力值為80 kN，模型中選用Cable單元模擬，其參數(shù)如表2所示。

對隧道圍巖各個(gè)特征點(diǎn)位移進(jìn)行監(jiān)測，其值如表3所示。表3中“-”表示豎向位移為下沉、水平凈空變大；“+”表示豎向位移為隆起、水平凈空變小。

2 圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測

為確定大型機(jī)械實(shí)際施工時(shí)隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，采用壓力盒監(jiān)測初支和圍巖之間的壓力；采用鋼架應(yīng)變計(jì)監(jiān)測鋼桁架應(yīng)力變化；采用高精度的全站儀監(jiān)測依托工程典型斷面的拱頂沉降、水平收斂情況。各監(jiān)測位置如圖5所示。

根據(jù)初支和圍巖之間的壓力監(jiān)測結(jié)果可知，初支與圍巖之間均處于受壓狀態(tài)，而由于隧道開挖的影響，監(jiān)測前27 d，各測點(diǎn)的圍巖壓力監(jiān)測值增長較為迅速；27 d后其增長速度變緩，其監(jiān)測值逐漸趨于穩(wěn)定；拱頂圍巖壓力監(jiān)測值最大，為0.22 MPa。

根據(jù)初支鋼桁架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，其內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力均為受壓狀態(tài)；監(jiān)測前14 d，其監(jiān)測值不斷增大，14 d后其監(jiān)測值逐漸趨于穩(wěn)定；其右拱腰處的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力值均最大，其中內(nèi)側(cè)值最大為166.5 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70.85%，即此時(shí)鋼桁架處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

因該隧道圍巖等級為Ⅳ級，故圍巖變形值＜50 mm時(shí)，為正常狀態(tài)；圍巖變形值在50～100 mm時(shí)，為黃色預(yù)警狀態(tài)；圍巖變形值＞100 mm時(shí)，為紅色預(yù)警狀態(tài)。此外，拱頂沉降變形速度應(yīng)當(dāng)＜0.15 mm/d，水平收斂變形速度應(yīng)當(dāng)＜0.2 mm/d。

根據(jù)拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測前27 d，拱頂沉降變形值受隧道開挖影響，隨有小幅波動(dòng)，變形速率＞0.15 mm/d，其總體趨勢為不斷增大狀態(tài)，其沉降量約為總沉降量的87.40%。27 d后其增長速度變緩，監(jiān)測值逐漸趨于穩(wěn)定，拱頂沉降變形速度在0.15 mm/d范圍內(nèi)；拱頂沉降變形終值為4.92 mm，在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

根據(jù)水平收斂監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測前27 d，水平收斂變形值受隧道開挖影響，隨有小幅波動(dòng)，變形速率＞0.2 mm/d，其總體趨勢為不斷增大狀態(tài)，其變形量約為總變形量的82.19%。27 d后其增長速度變緩，其監(jiān)測值逐漸趨于穩(wěn)定，拱頂沉降變形速度在0.2 mm/d范圍內(nèi)；拱頂沉降變形終值為0.73 mm，在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

根據(jù)前文數(shù)值模擬可得，拱頂沉降最終值為2.65 mm，比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果小2.27 mm；水平收斂最終值為0.33 mm，比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果小0.40 mm。究其原因：（1）數(shù)值模型簡化了實(shí)際工況，沒有考慮地下水和非均質(zhì)圍巖的作用；（2）數(shù)值模型簡化了施工步驟，沒有考慮爆破施工對圍巖穩(wěn)定性的影響；（3）現(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)，支護(hù)施工有一定的延遲，導(dǎo)致圍巖變形增大。綜上，現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算可以互相證明、互相補(bǔ)充，使得研究分析更具有合理性，為其他類似工程提供一定的參考。

3 結(jié)語

本文依托某實(shí)際隧道工程，該工程采用以三臂鑿巖臺車為基礎(chǔ)的大型機(jī)械化配套設(shè)備，對隧道進(jìn)行全斷面一次性施工。選用FLAC 3D有限差分軟件進(jìn)行仿真模擬，用強(qiáng)度折減法對隧道圍巖未支護(hù)和初支時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析；根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的支護(hù)措施，進(jìn)行隧道開挖施工模擬；對現(xiàn)場大型機(jī)械施工時(shí)的隧道圍巖與初支壓力、鋼桁架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力、拱頂沉降以及水平收斂進(jìn)行監(jiān)測。得到如下結(jié)論：

（1）未支護(hù)隧道和簡單初支隧道在不同強(qiáng)度折減系數(shù)Fs下的特征監(jiān)測點(diǎn)位的豎向位移、水平位移變化規(guī)律基本一致，當(dāng)Fs較小時(shí)，其值基本一致；當(dāng)Fs值逐漸增大，其值出現(xiàn)差異；當(dāng)Fs達(dá)到一定值時(shí)，其值發(fā)生突變，則此時(shí)的Fs為其安全系數(shù)。未支護(hù)隧道的安全系數(shù)為2.02，簡單初支隧道的安全系數(shù)為2.55，增大了26.24%，圍巖穩(wěn)定性大幅提高，且滿足規(guī)范要求。

（2）根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)置初支厚度以及相應(yīng)的鋼桁架、錨桿參數(shù)，得到相應(yīng)的特征點(diǎn)位監(jiān)測值均符合規(guī)范要求。其中，拱頂沉降最終值為2.65 mm，水平收斂監(jiān)測值為0.33 mm，比實(shí)際監(jiān)測值小，但仍然可以起到相互驗(yàn)證的作用。

（3）根據(jù)隧道在大型機(jī)械施工時(shí)的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，前期受隧道開挖影響，各項(xiàng)監(jiān)測值均出現(xiàn)小幅波動(dòng)，后逐漸穩(wěn)定；其最終監(jiān)測值均在設(shè)計(jì)強(qiáng)度和規(guī)范要求范圍內(nèi)，故可認(rèn)為該隧道圍巖狀態(tài)良好，整體較為穩(wěn)定。

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收稿日期：2022-12-20