中圖分類(lèi)號(hào)：U456. 3⁺ 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.045

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0162-03

0 引言

巖溶地區(qū)歷經(jīng)漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期的水溶蝕作用，形成獨(dú)特且復(fù)雜的地質(zhì)景觀，給隧道建設(shè)帶來(lái)超乎尋常的阻礙。巖溶地區(qū)發(fā)達(dá)的地下水系猶如隱匿的“暗河”，水位波動(dòng)大，流速快慢不一。地下水不僅是洞穴形成的關(guān)鍵動(dòng)力，在隧道施工期間還會(huì)引發(fā)突水、涌泥災(zāi)害，同時(shí)其化學(xué)侵蝕性還可能腐蝕支護(hù)結(jié)構(gòu)，削弱隧道耐久性[1]。

鑒于巖溶隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，動(dòng)力開(kāi)挖憑借高效、靈活等特性成為主流施工方法，鉆爆法與三臂鑿巖施工是最為常見(jiàn)的手段。鉆爆法歷史悠久、技術(shù)成熟，能夠精準(zhǔn)控制開(kāi)挖輪廓，適應(yīng)各種復(fù)雜斷面形狀2；在遭遇巖溶洞穴、破碎圍巖時(shí)，可通過(guò)調(diào)整爆破參數(shù)靈活處理。三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配備3個(gè)鑿巖臂，可同時(shí)在不同位置進(jìn)行鉆孔作業(yè)，相比單臂或雙臂鑿巖設(shè)備，大大提高了鉆孔效率。在巖溶隧道施工中，面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件和大量的鉆孔任務(wù)，能夠快速完成炮眼的開(kāi)鑿，加快施工進(jìn)度。

然而，動(dòng)力開(kāi)挖過(guò)程卻頻繁引發(fā)棘手難題：鉆爆法爆破瞬間，炸藥能量瞬間釋放，產(chǎn)生的沖擊波和地震波呈輻射狀在巖體中傳播，會(huì)瞬間打破原有應(yīng)力平衡，致使圍巖應(yīng)力急劇攀升；三臂鑿巖施工時(shí)，驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩參數(shù)的波動(dòng)，會(huì)致使巖體受力不均，護(hù)盾與圍巖間若支護(hù)力不當(dāng)，也易造成圍巖過(guò)度變形，影響隧道整體穩(wěn)定性[3-5]。因此開(kāi)展全方位、深層次的巖溶隧道動(dòng)力開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及參數(shù)影響分析，迫在眉睫。

基于此，本研究提出鉆爆法結(jié)合三臂鑿巖輔助施工工藝，旨在取二者之長(zhǎng)、補(bǔ)彼此之短：鉆爆法先行開(kāi)辟先導(dǎo)洞，利用其爆破的強(qiáng)大沖擊力快速破除堅(jiān)硬巖石，為后續(xù)三臂鑿巖進(jìn)場(chǎng)創(chuàng)造相對(duì)規(guī)整的作業(yè)環(huán)境；同時(shí)，利用FLAC3D軟件構(gòu)建三維隧道模型，深入研究沉降速率變化規(guī)律及爆破進(jìn)尺和驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩對(duì)隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率的影響。

1 工程概況

天峨至北海公路（天峨經(jīng)鳳山至巴馬段）主線(xiàn)全長(zhǎng)104.7km ，設(shè)計(jì)速度為 100km/h ；主線(xiàn)設(shè)置隧道49 1997.5m/50 座，其中特長(zhǎng)隧道13 398.5m/3 座，長(zhǎng)隧道19179m/13座，中隧道 11524.5m/17 座，短隧道5895.5m/17 座，隧道占主線(xiàn)全長(zhǎng)的47. 75% ；連接線(xiàn)共設(shè)置隧道3 455m/5 座。該工程屬于當(dāng)?shù)亟煌ňW(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的關(guān)鍵控制性工程，肩負(fù)著打通區(qū)域經(jīng)濟(jì)脈絡(luò)、促進(jìn)沿線(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與人員交流的重任。

沿線(xiàn)隧道地層巖性多樣，上部多覆蓋第四系松散堆積物，包含粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土以及各類(lèi)砂土，厚度不均，局部厚達(dá) 2.6m ，土質(zhì)松軟，自穩(wěn)性差；下部基巖則以石灰?guī)r、白云巖為主，巖溶裂隙、溶洞廣泛分布。前期地質(zhì)勘查借助高密度電法、地震映像法等先進(jìn)手段，精準(zhǔn)探測(cè)出沿線(xiàn)巖溶發(fā)育率 gt;8.9% ，溶洞形態(tài)各異，小至直徑數(shù)厘米的溶蝕孔洞，大到跨度 gt;3.81 m的巨型溶洞，洞內(nèi)常填充黏土、碎石或積水，致使巖體完整性遭到嚴(yán)重破壞，力學(xué)性質(zhì)離散性極大。

鑒于隧道地質(zhì)復(fù)雜性與工期要求，采用鉆爆法結(jié)合三臂鑿巖輔助施工工藝[。在開(kāi)挖前期采用鉆爆法，以便靈活處理復(fù)雜地質(zhì)狀況，精準(zhǔn)控制開(kāi)挖輪廓，降低塌方風(fēng)險(xiǎn)。在開(kāi)挖后期啟用三臂鑿巖掘進(jìn)，利用其高效切削、連續(xù)作業(yè)優(yōu)勢(shì)，快速推進(jìn)施工進(jìn)度。同時(shí)，引入先進(jìn)數(shù)值模擬軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，旨在深入剖析巖溶隧道沉降速率變化規(guī)律及參數(shù)影響，全力確保工程高質(zhì)高效、安全平穩(wěn)推進(jìn)。

2巖溶隧道動(dòng)力開(kāi)挖沉降變化規(guī)律研究

2.1數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際工程隧道設(shè)計(jì)圖，利用FLAC3D軟件構(gòu)建三維隧道模型。隧道單洞為三心圓拱形斷面，凈寬設(shè)定作者簡(jiǎn)介：韋昌嚴(yán)（1989一），工程師，主要從事高速公路建設(shè)安全管理工作。

為 12m ，凈高為9m，如圖1所示。隧道長(zhǎng)度方向建模延伸 15m ，涵蓋洞口段、洞身段以及臨近溶洞地段，充分考量隧道開(kāi)挖全過(guò)程力學(xué)響應(yīng)特性。模型上下、左右邊界距隧道軸線(xiàn)50m，模擬無(wú)限遠(yuǎn)處水平約束。上下邊界分別距隧道拱頂、仰拱 60m ，模擬深部地層豎向約束，以此營(yíng)造近似真實(shí)場(chǎng)地應(yīng)力環(huán)境。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，獲取隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，最大主應(yīng)力方向多呈水平偏 35^° ，大小在 10～30MPa 波動(dòng)；垂直主應(yīng)力依上覆巖層自重估算，取值為 2～ 。模型中精準(zhǔn)施加該初始地應(yīng)力，模擬開(kāi)挖前圍巖原始受力狀態(tài)，且開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)整地應(yīng)力釋放規(guī)律，依據(jù)開(kāi)挖步長(zhǎng)、速率以及圍巖變形特性，合理設(shè)定每步開(kāi)挖地應(yīng)力釋放比例，初始階段釋放 30% ，隨開(kāi)挖深入逐步遞增至 70% ，精準(zhǔn)再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖應(yīng)力演變情況。

圖1隧道模型圖

圖2隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

2.2沉降速率變化規(guī)律

本節(jié)利用數(shù)值模擬，進(jìn)一步探究不同開(kāi)挖時(shí)間下（1～5d為鉆爆法施工；5～25d為三臂鑿巖施工）的隧道橫斷面拱頂沉降速率、隧道縱向沉降速率及巖溶頂部沉降速率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，開(kāi)挖初期（1～5d），運(yùn)用鉆爆法開(kāi)辟先導(dǎo)洞時(shí)，爆炸沖擊瞬間打破圍巖原始應(yīng)力平衡，隧道拱頂上方巖體“失穩(wěn)”，迅速開(kāi)啟下沉歷程。此時(shí)拱頂下沉速率極高，最大沉降速率高達(dá)8min/h ，因爆破震動(dòng)不僅直接震松拱頂巖體，還使周邊微裂隙急劇萌生、擴(kuò)張，削弱巖體承載能力。當(dāng)施工處于三臂鑿巖掘進(jìn)階段（ 10～25 d），拱頂下沉速率驟減，拱頂沉降速率為 2.6～3.8mm/h 三臂鑿巖的護(hù)盾為拱頂提供臨時(shí)支撐，有效遏制下沉趨勢(shì)，且切削過(guò)程震動(dòng)輕微，避免額外擾動(dòng)引發(fā)下沉加劇。

在鉆爆法開(kāi)挖初期，當(dāng)炸藥爆炸后，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和地震波在巖體中傳播。在隧道縱向方向上，沖擊導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破碎，應(yīng)力瞬間釋放，引起隧道頂部和底部巖體快速沉降。隧道縱向沉降速率在 1～5 d急劇上升，最大沉降速率為439mm/h。當(dāng)施工從鉆爆法轉(zhuǎn)換為三臂鑿巖輔助施工時(shí)（第10d），沉降速率出現(xiàn)短暫上升，第10d的隧道縱向沉降較第5d增加4. 10% ，這主要是因?yàn)槿坭弾r鉆頭開(kāi)始切削時(shí)，會(huì)對(duì)掌子面前方的巖體產(chǎn)生新的應(yīng)力集中。在三臂鑿巖正常施工期間（ 15～25d） ，隧道縱向沉降速率相對(duì)穩(wěn)定，沉降速率變化范圍為168～185mm/h，這是因?yàn)槿坭弾r的護(hù)盾提供較為連續(xù)的支護(hù)力，使巖體在縱向方向上的變形得到有效控制。

在采用鉆爆法進(jìn)行巖溶隧道開(kāi)挖的初期 （1～5d） ，當(dāng)炸藥在巖溶區(qū)域附近引爆時(shí)，爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波和地震波會(huì)迅速傳播到巖溶介質(zhì)中。由于巖溶洞穴內(nèi)部填充物（如黏土、碎石等）和周邊巖體的力學(xué)性質(zhì)差異，在縱向方向上，巖溶區(qū)域的頂部沉降速率最大高達(dá)840mm/h ，遠(yuǎn)大于隧道縱向及隧道橫斷面拱頂?shù)某两邓俾省．?dāng)施工工藝轉(zhuǎn)換為三臂鑿巖輔助施工后（ 10～ 25d），巖溶頂部沉降速率迅速下降，開(kāi)挖第10d的巖溶頂部沉降速率為 512mm/n 較開(kāi)挖第5d下降39. 05% 。

隨著三臂鑿巖持續(xù)施工（ 10～25 d），巖溶頂部沉降速率呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)開(kāi)挖時(shí)間為25d時(shí)，巖溶頂部沉降速率為 641mm/h ，較開(kāi)挖10d增加25. 20% ，主要原因?yàn)閹r溶洞穴填充物的性質(zhì)不均勻，三臂鑿巖在切削過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致縱向方向上的不均勻沉降。綜上所述，當(dāng)采用鉆爆法時(shí)，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率均較大。而采用三臂鑿巖掘進(jìn)時(shí)，隧道橫斷面拱頂及隧道縱向的沉降速率均發(fā)生明顯下降現(xiàn)象。且三臂鑿巖掘進(jìn)時(shí)，巖溶頂部隨著開(kāi)挖時(shí)間增加，沉降速率呈遞增趨勢(shì)，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化三臂鑿巖及鉆爆法施工參數(shù)，降低巖溶頂部沉降速率。

2.3施工掘進(jìn)參數(shù)影響分析

2.3.1爆破進(jìn)尺

爆破進(jìn)尺是影響隧道開(kāi)挖速度的重要因素之一。然而，過(guò)大的爆破進(jìn)尺可能會(huì)導(dǎo)致較高的沉降速率，需要花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行加固和處理。通過(guò)研究不同爆破進(jìn)尺對(duì)沉降速率的影響，可以在保證工程質(zhì)量和安全的前提下，確定最優(yōu)的爆破進(jìn)尺，平衡開(kāi)挖速度和沉降控制之間的關(guān)系，從而合理安排施工進(jìn)度，避免因沉降問(wèn)題導(dǎo)致的施工延誤，確保工程能夠按時(shí)完成。因此，本研究分析不同爆破進(jìn)尺 對(duì)隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率影響，且由于爆破階段僅為施工的 1～5d ，因此重點(diǎn)探究施工第5d的沉降速率變化情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著爆破進(jìn)尺增加，隧道及巖溶沉降速率逐漸增加。1.5m進(jìn)尺下的隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別為 3.8mm/h 、360mm/h及734mm/h ，整個(gè)沉降過(guò)程也相對(duì)平穩(wěn)，主要因?yàn)槠涿看伪飘a(chǎn)生的臨空面較小，對(duì)拱頂巖體的擾動(dòng)程度較輕，應(yīng)力集中和變形的范圍有限，所以沉降速率的變化幅度較小。爆破進(jìn)尺為2m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率雖有增加，但增加幅度較低，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率較爆破進(jìn)尺1.5m分別增加15 .79%.3.06% 及3. 13% 。而當(dāng)爆破進(jìn)尺為2.5m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率增加幅度突然較大，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率較爆破進(jìn)尺1.5m分別增加65. 79% 、21. 11% 及 7.63% 。表明爆破進(jìn)尺越大，對(duì)隧道橫斷面拱頂沉降速率的影響越顯著。當(dāng)爆破進(jìn)尺為3m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率仍持續(xù)增加，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別高達(dá)7.9mm/h、478mm/h及821mm/h 因此，當(dāng)爆破進(jìn)尺為2.5m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率具有明顯的增加趨勢(shì)，為避免因沉降問(wèn)題導(dǎo)致的施工延誤，可以將爆破進(jìn)尺設(shè)定為 lt;2.5m ，以平衡開(kāi)挖速度和沉降控制之間的關(guān)系。

圖3不同爆破進(jìn)尺下的隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

2.3.2驅(qū)動(dòng)鉆頭參數(shù)

驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩是三臂鑿巖施工過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩的大小直接影響鉆頭對(duì)前方巖體的切削效果和對(duì)周?chē)鷰r體的擾動(dòng)程度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩增大時(shí)，鉆頭對(duì)巖體的切削力增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致隧道及巖溶周?chē)膸r體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響隧道及巖溶的沉降速率。因此本節(jié)進(jìn)一步探究不同驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩 對(duì)隧道及巖溶沉降速率的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩的增加，隧道及巖溶沉降速率呈先緩慢增加后快速增加趨勢(shì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩為1000～2000KN·m時(shí)，隧道橫斷面拱頂沉降速率變化范圍為 4.2～4.5mm/h ，沉降速率變化幅度較小，主要原因?yàn)殂@頭切削力較小，對(duì)拱頂周?chē)鷰r體的破壞程度較輕，巖體能夠在一定程度上保持自身的穩(wěn)定性，從而使拱頂沉降速率的變化幅度較小。隧道縱向及巖溶頂部沉降速率變化規(guī)律與隧道拱頂變化趨勢(shì)一致。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩 gt;2 000kN·m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率突然增加，驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩為3000KN ? m時(shí)的隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率分別為 7.9mm/h 441mm/h及 804mm/h ，較驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩1000KN·m分別增加88. 10% 、28. 95% 及 12.92% 。由于鉆頭切削力過(guò)強(qiáng)，對(duì)隧道周?chē)鷰r體的破壞范圍和程度都較大，使隧道及巖溶沉降速率的變化幅度突然增大。因此，為了避免驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩過(guò)大，導(dǎo)致隧道及巖溶的沉降速率持續(xù)增加，驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩應(yīng) ?2 000 kN·m。

圖4不同驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩下的隧道及巖溶沉降速率變化柱狀圖

3結(jié)語(yǔ)

為進(jìn)一步有效控制隧道及巖溶沉降速率，本研究利用FLAC3D軟件構(gòu)建三維隧道模型，研究沉降速率變化規(guī)律及爆破進(jìn)尺和驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩對(duì)隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部沉降速率的影響，得出主要結(jié)論如下：（1）當(dāng)采用鉆爆法時(shí)，隧道橫斷面拱頂、隧道縱向及巖溶頂部的沉降速率均較大。而采用三臂鑿巖掘進(jìn)時(shí)，隧道橫斷面拱頂及隧道縱向的沉降速率均發(fā)生明顯下降現(xiàn)象。采用三臂鑿巖掘進(jìn)時(shí)，巖溶頂部隨著開(kāi)挖時(shí)間增加，沉降速率呈遞增趨勢(shì)，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化三臂鑿巖及鉆爆法施工參數(shù)，降低巖溶頂部沉降速率。（2）當(dāng)爆破進(jìn)尺為2.5m時(shí)，隧道及巖溶沉降速率具有明顯的增加趨勢(shì)，為避免因沉降問(wèn)題導(dǎo)致的施工延誤，可以將爆破進(jìn)尺設(shè)定為 ，以平衡開(kāi)挖速度和沉降控制之間的關(guān)系。（3）為避免驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩過(guò)大，導(dǎo)致隧道及巖溶的沉降速率持續(xù)增加，驅(qū)動(dòng)鉆頭扭矩應(yīng) ≤2000101?m?

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