雙隧道開挖進(jìn)尺對其掌子面穩(wěn)定現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析
——以安石隧道為例

楊 曦，趙智輝，劉躍成，周 創(chuàng)，康躍明，范明外

(1.云南航天工程物探檢測股份有限公司，昆明 650217；2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南 云縣 675800)

近幾年，隨著隧道開挖工程深度的加大，隧道圍巖的穩(wěn)定，特別是隧道掌子面的穩(wěn)定，對隧道開挖工程的安全進(jìn)行起到重要作用[1-5]。在開挖過程中開挖進(jìn)尺對其掌子面圍巖的穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用之一[6-9]。因此，如何簡單有效地確定隧道開挖進(jìn)尺是隧道工程中亟待解決的問題之一[9]。

目前，針對隧道開挖后掌子面穩(wěn)定研究的理論較為成熟，部分學(xué)者基于數(shù)值模擬、試驗(yàn)手段等方法對其進(jìn)行了相關(guān)研究。但對其開挖進(jìn)尺對其穩(wěn)定性的影響研究較少。Senent等[10]，計(jì)算了Hoek-Brown非線性破壞準(zhǔn)則表征的裂隙巖體中隧道掌子面坍塌壓力并且采用數(shù)值3D有限差分程序識別出沿破壞面法向應(yīng)力分布的足夠近似。Shao等[11]提出了一種基于工作室內(nèi)壓力場面幾何特征的EPB隧道掌子面穩(wěn)定性分析新的數(shù)值方法，可實(shí)時(shí)分析掌子面前方地面主動和被動土壓力的變化情況。該機(jī)制為確保EPB隧道施工安全和自動控制提供了依據(jù)。Zou等[12]提出了基于極限分析方法的改進(jìn)三維旋轉(zhuǎn)破壞模型和基于極限平衡方法的改進(jìn)楔棱柱模型并且評估了幾何、巖土參數(shù)和加載條件對隧道掌子面穩(wěn)定性的影響。王俊等[13]、王志杰等[14]采用極限平衡法分析了維持穩(wěn)定的最小極限支護(hù)壓力，計(jì)算得到的極限支護(hù)壓力隨著摩擦角的增大呈非線性減小，隨著黏聚力的增大呈線性減小，隨著埋深與隧道直徑的比值減小。安永林等[15]、賀祚等[16]應(yīng)用有限元模擬和強(qiáng)度折減相結(jié)合的方法,得出安全厚度隨抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗?jié)B系數(shù)增大而減小，隨巖溶水壓力、隧道開挖高度和開挖寬度增大而增大。黃俊等[17-20]通過分析影響掌子面穩(wěn)定性的主要因素提出掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)于材料強(qiáng)度參數(shù)與施工條件參數(shù)的隱函數(shù)。上述研究中未對于掌子面進(jìn)尺對掌子面圍巖穩(wěn)定研究，在實(shí)際隧道開挖中不僅要考慮地質(zhì)環(huán)境等條件,還要考慮開挖進(jìn)尺對其的影響。

因此，基于現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究開挖進(jìn)尺對掌子面前后方圍巖的變形影響規(guī)律，提出紅線開挖進(jìn)尺的確定方法和現(xiàn)場實(shí)際開挖進(jìn)尺的確定準(zhǔn)則，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析；討論了施工過程中掌子面前方巖層存在的擠出現(xiàn)象。

1 工程概況

在建云縣至鳳慶高速公路的安石隧道位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村-勐佑鎮(zhèn)中河村，為分離式特長隧道，在建隧道呈曲線形展布，隧道最大埋深約453.11 m。

隧道圍巖為前奧陶系石英片巖、絹云母石英片巖、云母片巖，見呈互層狀或漸變過度賦存，屬較軟巖。巖體破碎呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖石礦物定向排列，片理發(fā)育，受構(gòu)造擠壓作用明顯。巖層產(chǎn)狀傾向140°～150°，傾角30°～50°，部分芯樣照片如圖1所示。

圖1 部分芯樣照片

2 監(jiān)測試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)確定

對隧洞拱頂下沉量及下沉速度、邊墻水平收斂量及收斂速度進(jìn)行觀測，為判斷開挖進(jìn)尺對圍巖的穩(wěn)定性、支護(hù)的強(qiáng)度的影響程度提供依據(jù)。拱頂下沉和隧道周邊凈空收斂都采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布設(shè)示意圖和現(xiàn)場監(jiān)測如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)圖

2.2 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果分析

如圖3(a)和圖3(b)所示，分別對應(yīng)現(xiàn)場掌子面日開挖進(jìn)尺3 m和2 m工況下拱頂沉降值?？煽闯鋈臻_挖進(jìn)尺3 m工況下拱頂累計(jì)沉降值和增長速率大于日開挖進(jìn)尺2 m工況下拱頂累計(jì)沉降值和增長速率。從圖中還可看出，開挖進(jìn)尺越大，對其掌子面后方圍巖穩(wěn)定越不利，讓其從開挖后應(yīng)力釋放造成的不穩(wěn)定狀態(tài)到二次平衡后的穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間更長，開挖造成的擾動作用更大。因此在施工過程中，要時(shí)刻根據(jù)現(xiàn)場巖層條件和施工工藝等來合理選取開挖進(jìn)尺大小，以保證隧道工程的安全施工。

圖3 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

2.3 凈空收斂監(jiān)測結(jié)果分析

如圖4(a)和圖4(b)所示，分別對應(yīng)現(xiàn)場掌子面日開挖進(jìn)尺3 m和2 m工況下對應(yīng)的凈空收斂值?？煽闯鋈臻_挖進(jìn)尺3 m工況下凈空收斂值和增長速率大于日開挖進(jìn)尺2 m工況下凈空收斂值和增長速率，近似大于3倍值。從圖中還可看出，開挖進(jìn)尺越大，對其掌子面后方圍巖拱腰影響程度要遠(yuǎn)大于對其圍巖拱頂部位，分析其原因，主要是因?yàn)楣靶?yīng)的存在，造成對隧道拱頂上部影響程度要小于拱腰。

圖4 凈空收斂監(jiān)測結(jié)果

3 巖體變形分析

3.1 掌子面坍塌和變形分析

造成掌子面坍塌原因主要分為兩大類，一類為掌子面地質(zhì)條件復(fù)雜，一類為施工擾動造成掌子面圍巖不穩(wěn)定。地質(zhì)條件的復(fù)雜主要包括地層巖性條件較差，如巖層抗側(cè)壓系數(shù)較低、巖層較為破碎、巖層為遇水軟化巖石等情況；另一類為地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，例如掌子面前方為斷層且傾角較大以及水文條件復(fù)雜，裂隙水和孔隙水含量豐富且很容易得到補(bǔ)充。施工擾動往往也是造成掌子面坍塌主要原因之一。在施工過程中，若采用爆破開挖，則需考慮爆破造成巖層的松動以及破裂影響，若開挖進(jìn)尺過大必然要求藥量加大，對掌子面前后方圍巖造成過大的擾動，影響其穩(wěn)定性，造成掌子面前后方圍巖松動，造成坍塌施工發(fā)生。

3.2 掌子面變形分析

根據(jù)FLAC3D模擬在開挖進(jìn)尺1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 m等工況下，掌子面前后巖層變形情況。本次數(shù)值模擬按照現(xiàn)場實(shí)際施工順序來進(jìn)行計(jì)算，開挖方式采用上下臺階開挖，先開挖后初襯最后進(jìn)行二襯支護(hù)順序進(jìn)行。

為了更好地展示開挖后掌子面變形情況，采用掌子面變形放大200倍方式，如圖5所示。從圖中可以看出隧道巖層開挖完成后，掌子面向前突出變形，且變形最大位置靠近掌子面中心位置。從圖6中可以看出，掌子面的巖層變形基本上隨開挖進(jìn)尺距離的增加而增加，且增長速率明顯分兩個(gè)階段，增長階段和快速增長階段。筆者把此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為紅線開挖進(jìn)尺，對應(yīng)圖中的開挖進(jìn)尺4 m。

圖5 開挖進(jìn)尺和變形量三維圖

從開挖進(jìn)尺和變形量圖6中可以發(fā)現(xiàn)，后開挖隧道掌子面變形值大于先開挖隧道。分析其中的原因是在實(shí)際的開挖過程中隨著先開挖隧道的施工,對其后開挖隧道圍巖造成擾動，使其造成掌子面變形值加大。后開挖施工隧道在施工過程中對周圍土體擾動較大，造成的原因是先施工隧道對其巖層的擾動造成巖層裂隙增多，孔隙水釋放造成空隙水壓降低，圍巖的自穩(wěn)壓力降低，但其后施工隧道水危害降低。

圖6 開挖進(jìn)尺和變形量

3.3 掌子面前方巖體變形

從到掌子面距離與變形量圖7中可以看出，掌子面前方巖層變形值隨到掌子面距離的增加而減少。造成這種現(xiàn)象的原因的是巖層與巖層間存在阻力，對其巖層向掌子面方向變形起到了阻礙作用，距離掌子面的距離越大，對其造成的阻力值越大，從而發(fā)生的變形值越小。

圖7 到掌子面距離與變形量

通過以上分析，采用開挖進(jìn)尺2 m最為安全，安全系數(shù)為0.5，在保證的開挖進(jìn)度的情況下，也防止了掌子面坍塌事故的發(fā)生，保證了現(xiàn)場安全施工。

4 結(jié)論

1)隧道巖層開挖完成后，掌子面向前突出變形，且變形最大位置靠近掌子面中心位置。因此，在掌子面開挖施工過程中，要重點(diǎn)觀測掌子面中心變形，防止災(zāi)害發(fā)生。

2)掌子面的巖層變形基本上隨開挖進(jìn)尺距離的增加而增加，且增長速率明顯分兩個(gè)階段，增長階段和快速增長階段。筆者把此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為紅線開挖進(jìn)尺。因此在計(jì)算掌子面變形值時(shí)應(yīng)重點(diǎn)確定此轉(zhuǎn)折點(diǎn)，把此轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為開挖進(jìn)尺紅線。

3)掌子面前方巖層變形值隨到掌子面距離的增加而減少。造成這種現(xiàn)象的原因的是巖層與巖層間存在阻力，對其巖層向掌子面方向變形起到了阻礙作用。

4)通過現(xiàn)場對掌子面后方巖層的變化量進(jìn)行監(jiān)測，通過此觀測值來指導(dǎo)現(xiàn)場施工，對其保證安全起到了重要作用。

5)通過以上分析，采用開挖進(jìn)尺2 m最為安全，安全系數(shù)為0.5，在保證的開挖進(jìn)度的情況下，也防止了掌子面坍塌事故的發(fā)生，保證了現(xiàn)場安全施工。對今后的隧道開挖工程開挖進(jìn)尺方案的確定有一定的指導(dǎo)意義。