破碎圍巖條件下大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法研究

摘要：由于大斷面隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因此對(duì)轉(zhuǎn)換施工方法的要求極高。文章為有效提高大斷面隧道施工質(zhì)量，確保施工安全性，研究破碎圍巖條件下大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法。通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖Ⅴ級(jí)破碎圍巖，采用交叉中隔壁法開挖Ⅳ級(jí)破碎圍巖，在兩個(gè)圍巖等級(jí)交界處轉(zhuǎn)換工法，分析開挖進(jìn)尺與鋼拱架間距對(duì)破碎圍巖變形的影響，并優(yōu)化施工參數(shù)。結(jié)果表明：開挖進(jìn)尺越大，隧道襯砌變形幅度越大;為確保圍巖變形最小，埋深<250 m時(shí)開挖進(jìn)尺宜選取1 m，埋深>350 m時(shí)開挖進(jìn)尺宜選取2 m;鋼拱架間距與其最大拉應(yīng)力值成正比，鋼拱架間距為0.5～0.9 m時(shí)，施工安全性最好，能夠有效提高大斷面隧道施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：破碎圍巖;大斷面隧道;轉(zhuǎn)換施工;優(yōu)化方法;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;交叉中隔壁法

中圖分類號(hào)：U455.4

0 引言

破碎圍巖條件下，圍巖變形情況較為復(fù)雜，加劇了大斷面隧道施工的難度，同時(shí)這種條件下對(duì)于大斷面隧道施工要求也較高。若施工參數(shù)不規(guī)范，會(huì)導(dǎo)致隧道施工存在風(fēng)險(xiǎn)[1]，甚至出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。為確保施工工期不延后，且保證施工質(zhì)量[2]，需針對(duì)圍巖等級(jí)的不同，設(shè)計(jì)不同的施工工法。在轉(zhuǎn)換施工工法時(shí)，若轉(zhuǎn)換時(shí)間不合理，也會(huì)提升施工難度，導(dǎo)致危險(xiǎn)事件發(fā)生[3]。

梁廣山等[4]為加快施工速度，研究隧道施工工法轉(zhuǎn)換方法，縮短工期，但該方法并未考慮圍巖條件，且施工參數(shù)不規(guī)范，降低了施工安全性。唐喜奎[5]為提升隧道施工安全，研究轉(zhuǎn)換施工方法，充分考慮地質(zhì)因素，降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，但該方法沒有考慮施工參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響，施工參數(shù)規(guī)范性差，會(huì)延誤施工工期。

為確保施工安全且加快施工進(jìn)度，綜合考慮地質(zhì)因素與施工參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響，本文研究破碎條件下大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法，分析合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)間，獲取最優(yōu)施工參數(shù)，確保施工安全。

1 工程概況

本文以某省鐵路客運(yùn)專線為研究對(duì)象，該線路的長(zhǎng)度為360 km，線路等級(jí)是客運(yùn)專線，行駛速度為251 km/h。該條線路施工完成后，能夠帶動(dòng)該地區(qū)的旅游發(fā)展[6]。該條客運(yùn)專線中某隧道長(zhǎng)度是4 933.46 m，隧道沿線地形比較陡峭，最大高度差為410 m。該隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性較差，施工難度較大。

該隧道經(jīng)過的破碎圍巖為炭質(zhì)千枚巖，中間包含少量板巖。破碎圍巖顏色主要是深灰與灰黑色。洞口段破碎圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，厚度為0.5～11.8 m，起止樁號(hào)是SG2+090～SG2+193;鄰近的破碎圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，穩(wěn)定性高于Ⅴ級(jí)圍巖，起止樁號(hào)為SG2+193～SG2+363。巖體整體呈褶皺發(fā)育，節(jié)理將薄巖層分割為破碎狀，破碎程度較高。因?yàn)樗淼姥鼐€屬于破碎圍巖，施工時(shí)易出現(xiàn)變形，所以需要分析地質(zhì)因素與力學(xué)規(guī)律，研究大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 方法和材料

2.1 大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工方法

要充分分析開挖進(jìn)尺與側(cè)壓力系數(shù)等對(duì)破碎圍巖變形的影響，并參考地質(zhì)因素與隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，研究破碎圍巖時(shí)大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法，提升施工安全性[7]。Ⅴ級(jí)破碎圍巖通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，記作工法1;Ⅳ級(jí)破碎圍巖通過CRD（交叉中隔壁）法進(jìn)行施工，記作工法2。Ⅴ級(jí)破碎圍巖至Ⅳ級(jí)破碎圍巖連接處（SG2+189至SG+203），需要轉(zhuǎn)換施工工法，由工法1轉(zhuǎn)換至工法2。具體轉(zhuǎn)換施工步驟如下：

步驟1：圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)時(shí)，采用工法1展開施工，不斷擴(kuò)展隧道兩側(cè)導(dǎo)洞的掌子面開挖面積，令左右兩側(cè)的初期支護(hù)同時(shí)移向隧道中線，導(dǎo)致左右兩側(cè)導(dǎo)坑初期仰拱不斷變大，中間導(dǎo)坑初期仰拱不斷變小。

步驟2：在左右初期支護(hù)彼此搭接情況下，結(jié)束移動(dòng)。

步驟3：拿走右側(cè)支護(hù)，保留左側(cè)支護(hù)，將工法1中保留的左側(cè)支護(hù)轉(zhuǎn)換為工法2中的中間初期支護(hù)，實(shí)現(xiàn)施工工法轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換施工工法的條件是確保兩個(gè)工法的起拱線高度相同，通過調(diào)整垂直方向的初期支護(hù)高度控制起拱線高度[8]。工法1與工法2垂直方向支護(hù)線形相反，在轉(zhuǎn)換過程中，需改變工法2的支護(hù)線形，令其與工法1的支護(hù)線形不斷接近，保證轉(zhuǎn)換過程中每部分垂直方向尺寸過渡的不間斷性。

2.2 計(jì)算方法

通過有限差分軟件FLAC 3D分析大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法的影響因素，對(duì)轉(zhuǎn)換施工過程中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，影響因素包含開挖進(jìn)尺與側(cè)壓力系數(shù)等。隧道開挖影響區(qū)域?qū)儆诙磸降?～6倍，按照地質(zhì)因素與轉(zhuǎn)換施工工法，簡(jiǎn)化計(jì)算模型，獲取該模型的橫向長(zhǎng)度為90 m，隧道軸線方向長(zhǎng)度為40 m，縱向長(zhǎng)度為埋深。模型各方向邊界約束為法向約束。

在求解鋼拱架與噴灑混凝土承受的軸力與彎矩過程中，令噴灑混凝土是h，鋼拱架是g，截面面積是Z，支護(hù)承擔(dān)的總軸力與總彎矩為：

式中：P——截面總軸力（kN）;

[KG8.2mm]Q——總彎矩（kN·m）;

[KG7.4mm]W——彈性模量（MPa）。

2.3 計(jì)算參數(shù)

破碎圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.4 支護(hù)模擬

在轉(zhuǎn)換施工工法中，先開挖再支護(hù)施工。以梅花樁方式安裝錨桿，鋼拱架間距是1 m，前期噴灑混凝土厚度是0.27 m，斷面間距是0.9 m。按照FLAC 3D軟件模擬錨桿M、鋼拱架G、噴灑混凝土T，各材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.5 開挖模擬

利用FLAC 3D軟件計(jì)算分析開挖進(jìn)尺分別為1 m、2 m、3 m與4 m時(shí)的隧道襯砌變形情況，確定較優(yōu)開挖進(jìn)尺，再獲取不同埋深時(shí)的最優(yōu)開挖進(jìn)尺，最后獲取最優(yōu)側(cè)壓力系數(shù)與最佳鋼拱架間距，完成施工參數(shù)優(yōu)化。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 開挖進(jìn)尺優(yōu)化分析

利用FLAC 3D軟件計(jì)算分析不同開挖進(jìn)尺時(shí)隧道襯砌的變形情況，以埋深為150 m、隧道開挖里程為10 m為例，不同開挖進(jìn)尺時(shí)隧道襯砌變形情況如表3所示。

分析表3可知，開挖進(jìn)尺越大，拱頂沉降量越多，開挖進(jìn)尺為1～3 m時(shí)，沉降量相差較小，開挖進(jìn)尺為4 m時(shí)，沉降量明顯增多。開挖進(jìn)尺不同，隧道的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也出現(xiàn)改變，開挖進(jìn)尺越大，拱頂與拱肩的軸力均不斷降低，彎矩不斷提升，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性越來越差，開挖進(jìn)尺為1～3 m時(shí)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力、彎矩差距不大，在開挖進(jìn)尺為4 m時(shí)，軸力下降幅度與彎矩提升幅度均較大。綜合分析可知，開挖進(jìn)尺為1～3 m時(shí)，隧道襯砌變形幅度較小，因此，在破碎圍巖條件下，大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工工法優(yōu)化后的開挖進(jìn)尺宜選擇1～3 m。

利用FLAC 3D軟件計(jì)算分析開挖進(jìn)尺為1～3 m時(shí)，埋深分別為150 m、250 m、350 m、450 m時(shí)的圍巖變形情況，為不同埋深情況選取最優(yōu)的開挖進(jìn)尺。大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工開挖進(jìn)尺為1～3 m時(shí)，不同埋深情況下圍巖變形情況（拱頂沉降）如圖1所示。

分析圖1可知，在埋深≤250 m時(shí)，開挖進(jìn)尺為1 m時(shí)拱頂沉降量顯著低于其余兩個(gè)開挖進(jìn)尺，即此時(shí)圍巖變形最小;在埋深≥350 m時(shí)，開挖進(jìn)尺為2 m時(shí)圍巖變形最小，埋深為350 m與450 m時(shí)開挖進(jìn)尺為2 m的拱頂沉降值變化趨勢(shì)大致相同。分析原因可知，在埋深不深時(shí)，隧道開挖里程越長(zhǎng)，開挖擾動(dòng)次數(shù)越多，圍巖變形受其影響較大，此時(shí)，開挖進(jìn)尺小，擾動(dòng)次數(shù)就少，圍巖變形越小;埋深較深時(shí)，擾動(dòng)次數(shù)與地層條件共同影響圍巖變形情況，因此，在埋深≥350 m情況下，大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化時(shí)，需充分分析地層條件與開挖擾動(dòng)次數(shù)。在這種情況下，最佳的開挖進(jìn)尺為2 m。綜合分析可知，埋深≤250 m時(shí)，最優(yōu)開挖進(jìn)尺為1 m;埋深≥350 m時(shí)，最優(yōu)開挖進(jìn)尺為2 m。

3.2 側(cè)壓力系數(shù)優(yōu)化分析

利用FLAC 3D軟件計(jì)算分析不同側(cè)壓力系數(shù)在隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)圍巖的變化情況，側(cè)壓力系數(shù)屬于除埋深以外的主要地質(zhì)因素。以埋深450 m、開挖進(jìn)尺2 m為固定條件，分析不同側(cè)壓力系數(shù)時(shí)大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)圍巖變化情況。側(cè)壓力系數(shù)通常為0.5、0.6、0.7、0.8，不同側(cè)壓力系數(shù)情況下隧道圍巖沿軸向發(fā)展情況如圖2所示。

分析圖2可知，側(cè)壓力系數(shù)越大，隧道拱頂沉降值越大，即圍巖變形越大，在側(cè)壓力系數(shù)為0.8時(shí)，隧道拱頂沉降值明顯高于其余三個(gè)側(cè)壓力系數(shù)時(shí)的拱頂沉降值，此時(shí)，隧道位移也最大。試驗(yàn)證明：側(cè)壓力系數(shù)過大時(shí)，在圍巖應(yīng)力調(diào)整時(shí)隧道洞壁變形較大，因此，在大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)不宜選取過大的側(cè)壓力系數(shù)。

3.3 鋼拱架間距優(yōu)化分析

利用FLAC 3D軟件計(jì)算分析鋼拱架間距不同時(shí)隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)拱架的最大拉應(yīng)力值，分析結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，Ⅰ20a與Ⅰ25a的K值變化趨勢(shì)一致，Ⅰ25a在間距為0.5～1.1 m時(shí)的K值未超過值，Ⅰ20a在間距為0.5～0.9 m時(shí)的K值未超過值。綜合分析可知，鋼拱架間距宜選擇0.5～0.9 m，最大應(yīng)≤1.1 m;Ⅰ20a鋼拱架的最大拉應(yīng)力值顯著高于Ⅰ25a鋼拱架，而Ⅰ25a鋼拱架間距范圍大于Ⅰ20a鋼拱架。試驗(yàn)證明：在破碎圍巖條件下，大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)鋼拱架間距宜選0.5～0.9 m，鋼拱架型號(hào)宜選擇Ⅰ25a，隧道施工安全性較高。

4 結(jié)語(yǔ)

目前大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工時(shí)工法較為保守，轉(zhuǎn)換時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)停工問題，嚴(yán)重耽誤工期。為此，研究破碎圍巖條件下大斷面隧道轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化方法，利用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CRD法實(shí)現(xiàn)不同破碎圍巖等級(jí)時(shí)的施工轉(zhuǎn)換，分析轉(zhuǎn)換施工時(shí)側(cè)壓力系數(shù)與鋼拱架型號(hào)等對(duì)隧道圍巖變形的影響，選取最優(yōu)施工參數(shù)，完成轉(zhuǎn)換施工優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：側(cè)壓力系數(shù)越大，隧道圍巖變形情況越嚴(yán)重，最優(yōu)側(cè)壓力系數(shù)取值區(qū)間為0.5～0.7;為提升隧道施工安全，鋼拱架型號(hào)宜選擇Ⅰ25a型。

參考文獻(xiàn)

[1]周利梅，田衛(wèi)明.軟弱破碎地層盾構(gòu)隧道施工開挖面力學(xué)行為分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2020，46（6）：15-18，36.

[2]楊志強(qiáng)，方 晶，劉湘林，等.基于工期目標(biāo)的單跨四車道市政隧道施工優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（2）：184-191，203.

[3]蔣 慶，孫克國(guó)，周慧超，等.超大斷面小凈距隧道方案優(yōu)化研究[J].水利水電技術(shù)，2020，51（1）：32-38.

[4]梁廣山，穆永軍.超大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換方案及工期分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2020，37（8）：52-55.

[5]唐喜奎.富水黃土地層橫通道斷面轉(zhuǎn)換施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（S1）：1 135-1 139.

[6]劉 聰，李術(shù)才，周宗青，等.復(fù)雜地層超大斷面隧道施工圍巖力學(xué)特征模型試驗(yàn)[J].巖土力學(xué)，2018，39（9）：3 495-3 504.

[7]施昌齡，李九超，朱緒峰，等.超大跨度公路隧道穿越破碎帶施工技術(shù)研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2020，37（10）：45-50.

[8]陳 濤，楊峻煕，楊永靖，等.軟弱破碎圍巖隧道鋼拱架與圍巖受力特征分析[J].施工技術(shù)，2020，49（7）：80-83.

作者簡(jiǎn)介：

黃武恒（1982—），工程師，主要從事高速公路隧道施工安全管理工作。