大跨隧道穿越斷層破碎帶開挖工法優化分析

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

一、引言

破碎的圍巖屬于隧道施工常見的不良地質之一，施工過程中易遇到大變形、坍塌等風險。節理裂隙發育和巖體破碎將導致隧道的不平衡受力，這會使隧道拱圈變形，甚至破壞隧道結構。由于節理裂隙發育、巖體破碎隧道支護結構所處的工程地質環境條件甚為復雜，導致圍巖與支護結構相互共同作用機理較普通隧道更為復雜。目前，不同程度破碎圍巖對隧道襯砌結構影響程度、不同開挖工法對圍巖穩定性影響等問題均未得到有效解決。若采用施工工法不當，很有可能造成施工過程中的隧道塌方，對施工安全、質量、工期產生嚴重不利影響。

隧道坍塌形式主要表現在三種類型：掌子面的塌陷、掌子面前方土體頂部的坍塌及無支撐段拱頂坍塌。本文針對烏魯木齊繞城高速葛家溝隧道ZK42+960～ZK43+570（Ⅳ級圍巖）段的施工，對不同施工工法下未支護段拱頂塑性區分布情況和掌子面穩定性開展理論分析和數值模擬研究，以確定合適的施工參數。具體分析工況如表1所示。

二、基于未支護段拱頂穩定性的工法適用性分析

隧道拱頂圍巖自穩性較強，但如果上臺階高度開挖過大，特別是在圍巖較為破碎情況下，拱頂易發生垮塌。本文基于巖體塊體理論，對拱頂巖體未支護條件下的極限范圍進行分析，并計算上臺階高度限制，建立了有限計算模型進行分析。隧道拱頂節理塊體穩定性進行分析公式為：，式中：l3為節理松動塊體的寬度；l2和l1分別為節理面長度；c1和c2分別為節理面1和2的黏聚力；α和β分別為節理面1和2的傾角；γ為巖體重度。拱頂塊體穩定性控制標準為：當Fs＞2時，塊體不穩定；當Fs＜2時，塊體穩定。

根據巖體塊體理論，對拱頂巖體無支護條件下的極限范圍進行分析，采用式1的經驗公式計算得出上臺階高度的限值，分析時假定拱頂為對稱破壞，即l1=l2。為分析未支護條件下拱頂巖體的穩定性，設定拱頂無支護角度范圍為定值，通過調整塊體的邊長l1或l2來獲得該無支護角度范圍下的穩定性系數。拱頂無支護角度范圍工況包括：60°、90°、120°、150°。

表1 支護部分、掌子面工況分析表

無支護角度區間下的穩定性系數統計值如表2所示，結合拱頂塊體穩定性控制標準：當Fs＞2時塊體失穩，Fs＜2時塊體穩定。可以得出結論，在120°范圍內是否有支護是拱頂巖體穩定關鍵性，相應的穩定性系數為2.05，根據隧道斷面設計圖可知，在120°無支護區間對應的上臺階高度為3.6m，上臺階高度應控制在3.6m以下，因此，采用三臺階法開挖。

表2 拱頂不同無支護范圍下的巖體穩定性系數

表3 計算結果分析

為驗證理論分析結果的準確性，建立了二維有限元模型。其中模型埋深為60m，巖體等效荷載作用，采用摩爾庫倫模型分析巖體本構，計算參數：E=1GPa，c=200kPa，ψ=21°，采用臺階法開挖，假設上臺階高度為5m并且開挖矢跨比為0.405。

建立有限元模型，以左洞埋深最大的區域進行分析，分別對兩臺階與三臺階開挖工法進行分析，確定合理施工參數。

開挖完成上臺階后，在未支護條件下，拱頂上部會出現較大的塑性區域，在不改變其他邊界條件的情況下，假設上臺階高度為3.5m，開挖矢跨比為0.309，在開挖上臺階完成后，未進行支護狀態，拱頂上部未發現塑性區，巖體自穩態勢較好，施工措施得當，同時質量控制符合要求時，不會發生塌方狀況。

如表3所示，理論與有限元仿真計算結果表明，為保證開挖進尺未支護段拱頂的穩定性，上臺階高度應確定在3.5m以下。據此應采用三臺階法開挖。

三、掌子面穩定性分析

由上節分析計算可知，掌子面開挖方法采用三臺階法（臺階高度3.5m）能保證未支護段拱頂巖體的穩定性，但是不能確定掌子面在開挖過程中是否會有較大的塑性區域變形，引發掌子面塌方連鎖反應。在掌子面開挖過程中采用相同的輔助加固措施的情況下，結合現場情況并建立有限元模型，進行掌子面穩定性分析，主要有正三臺階開挖、三臺階開挖預留核心土兩種工法。

正三臺階開挖步序如圖1所示，根據施工時實際支護情況建立三維有限元模型如圖2所示，巖土體參數及支護參數與上文相同。

圖1 正三臺階開挖步序

圖2 正三臺階錨噴支護

在掌子面出現了較大的塑性區域。將施工段地勘資料及巖體節理發育且巖層粘結性較差的實際情況結合分析，采用正三臺階法開挖發生較大范圍的掌子面垮塌的風險較大。

表4 計算結果分析

施工中采用的輔助加固措施與正三臺階開挖模擬時設置的支護參數相同。

掌子面范圍內只出現小部分的塑性區，巖體自穩態較好，在確保輔助支護措施施工到位的情況下，不會發生大范圍塌方。

在葛家溝隧道施工過程中，對比分析了正三臺階法、三臺階預留核心土法兩種開挖工藝，對采用不同開挖方法下采用15cm噴射混凝土封閉掌子面的效果同樣進行了有限元模擬分析，計算分析結果如表4所示。

四、葛家溝隧道監測數據分析

根據已封閉成環的ZK43+350和ZK43+355段監測數據（見表5、表6），ZK43+350 最終水平收斂為2.16mm，拱頂沉降為5.1mm；ZK43+355最終水平收斂為1.82mm，拱頂沉降為5.69mm。隧道圍巖變形較小，未出現掉塊、塌方等現象，表明施工工法能夠有效控制圍巖變形，降低破碎圍巖段塌方風險。

五、結語

針對葛家溝隧道大跨度破碎圍巖段施工，采用理論分析、有限元數值模擬及現場監測驗證等方法，通過圍巖變形、塑性區等穩定性判據對施工工法及相關參數進行了綜合分析比選，得出結論如下。

大跨度破碎圍巖隧道施工易發生拱頂塌方，選擇合理的上臺階高度和跨矢比對確保圍巖穩定性具有重要意義。通過節理塊體穩定性分析和有限元數值模擬，初步確定了三臺階法施工工法。

采用三臺階預留核心土法的工法，同時開挖后及時封閉掌子面，可以保證圍巖掌子面開挖過程中產生較小的塑性變形，有效保證施工安全。

監測數據結果表明，采用上述理論分析及計算選取的工法及參數進行隧道施工，隧道圍巖變形較小，未出現掉塊、塌方等現象，表明施工工法能夠有效控制圍巖變形，降低破碎圍巖段塌方風險。

表5 水平收斂

表6 拱頂沉降