隧洞大型機械化配套施工及圍巖-支護體系力學響應研究

黎建華

(中鐵十一局集團第四工程有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引 言

在軟弱圍巖及復雜工程地質條件下進行山嶺隧道修建時，往往采用傳統的臺階法開挖以保證施工安全性[1-2]。但臺階法開挖對圍巖擾動次數較多，開挖頻次高、施工組織及工序復雜、作業空間有限、施工效率低[3- 4]。近年來，隨著新奧法理論的不斷發展和運用，隧道建設理念開始逐漸向減少對洞室巖體的擾動破壞，發揮圍巖結構自承效應的方向轉變[5- 6]，全斷面開挖方法及相應的機械化配套施工技術得到了廣泛的應用，國內外學者也對此展開了大量的研究。Merlini[7]總結了橫貫瑞士阿爾卑斯山脈的平坦鐵路南段塞涅里隧道開挖及施工方法對掌子面穩定性的影響；Shah[8]通過數值模擬手段研究了隧道機械化開挖過程中開挖順序，工作面支護手段對地表沉降的影響及控制方法；崔光耀等[9]通過數值模擬綜合比較了以臺階法為基礎的多種施工方法對大斷面鐵路隧道開挖穩定性的影響，提出了三臺階臨時仰拱法的優越性；趙明階等[10]針對巖溶區隧道全斷面開挖后的圍巖穩定性展開了室內模型試驗研究，并結合數值分析結果得出了最優支護時機和圍巖穩定性評價方法；徐穩超、湯憲高等[11-12]以貴廣鐵路為例，詳細研究了在II、III級圍巖條件下的大斷面隧道開挖機械化配套適用性，并提出了未來機械化施工的適用范圍，通過與普通鉆爆法進行詳細比對，證明了機械化施工高效高質，工期短等顯著優勢；田佳等[13]詳細研究了高速鐵路大斷面隧道機械化施工裝置、施工組織以及施工安全等，合微，臺階全斷面法開挖適用條件，得出了隧道大斷面機械化施工連續作業方法；李書兵[14]通過開展全斷面機械化爆破施工測試，研究了現場支護結構受力特征隨時間的變化規律。目前在隧道機械化施工條件下，受作業設備操作空間影響，臺階法施工很難充分發揮機械化施工高效優勢。目前，我國機械化配套全斷面開挖工法僅適用于地質條件相對較好的I～III級圍巖小斷面山嶺隧道。一方面，我國目前的機械化施工多應用于單一工序，整體系統性的機械化施工水平相對較低；另一方面，由于缺乏大型機械化配套全斷面開挖現場實測數據及優化研究，僅僅是數值模擬和室內試驗得到的成果，應用和推廣具有一定的局限性。

本文以鄭萬高鐵高家坪隧道為依托，采用了國內先進的全電腦三臂鑿巖臺車、拱架安裝臺車等大型機械裝備，開展機械化配套施工。在考慮界面接觸效應的基礎上，通過數值模擬及現場試驗段的長期測試與分析，研究了V級圍巖條件下傳統臺階法和全斷面機械化開挖對隧道變形規律的影響，對保證高家坪隧道進口軟弱圍巖地段機械化施工安全，確保施工效率具有重要意義。

1 工程概況

高家坪隧道位于湖北省南漳縣李廟鎮境內，全長5 498 m。進口起訖里程為DK449+037～DK452+300，全長3 263 m，其中IV級和V級圍巖占比達到54.24%。圍巖分級長度及占比見圖1。隧道最大埋深320 m，縱坡設計為23‰，順坡施工。隧道圍巖主要為頁巖及灰巖，巖體破碎，節理裂隙發育，主要不良地質體為巖溶，易發生突水、突泥。DK450+150～DK450+280穿越炭質頁巖夾煤線瓦斯地層，施工中可能發生瓦斯泄漏風險。區內工程地質條件較差，施工難度大，風險高，屬Ⅱ級風險隧道。

圖1 圍巖分級長度及占比

2 現場監控量測

全斷面機械化施工見圖2。為獲取軟弱圍巖地段不同開挖工法施工的圍巖及襯砌結構的受力水平、規律，驗證設計強度是否滿足要求，為今后設計和施工方案制定提供科學依據，選取某一試驗段開展針對性監控量測工作。施工工法主要選擇三臺階法、兩臺階法、全斷面帶仰拱進行綜合比較。為保證選取的斷面具有相同條件，此次均選取巖性相近的頁巖，圍巖級別為V級，對比施作小導管后的襯砌類型Vcw與采取了管棚和掌子面超前預加固措施后的襯砌類型VK1的支護參數。每種工法開挖均分別選取了2個試驗斷面進行現場監控量測，共6個試驗斷面。量測項目主要為拱頂沉降和洞周收斂。監控量測點布設見圖3。

圖2 現場機械化施工

圖3 監控量測點布設

2.1 臺階法開挖監控量測

選取隧道進口DK449+073和DK449+083試驗斷面開展三臺階法開挖監控量測；選取隧道進口DK449+093和DK449+098試驗斷面開展兩臺階法開挖監控量測；大型機械化配套全斷面開挖(帶仰拱)選擇DK449+403和DK449+463試驗斷面。沉降監測曲線見圖4、5。從圖4、5可知：

圖4 拱頂沉降監測

圖5 洞周收斂監測

(1)三臺階法開挖。以DK449+073為例，斷面在開挖后30 d內，上臺階拱頂(測點A)下沉量顯著增加，之后逐漸趨于穩定。在79 d的監測周期內，累計沉降量22.6 mm，平均沉降速率0.29 mm/d，最大沉降速率2.09 mm/d。上臺階邊墻在開挖后15 d內發生顯著洞周收斂，平均收斂速率0.086 mm/d，最大收斂速率1.71 mm/d，累計收斂6.8 mm。中臺階邊墻在開挖10 d內收斂明顯，在71 d的監測周期內，累計收斂量6.9 mm，平均收斂速率0.1 mm/d，最大收斂速率1.39 mm/d。下臺階邊墻開挖后7 d內發生顯著洞周收斂，平均收斂速率0.11 mm/d，最大收斂速率2.7 mm/d，累計收斂7.2 mm。

(2)兩臺階法開挖。該斷面圍巖為頁巖夾砂巖，圍巖級別為Ⅴ級，巖質較軟，圍巖自穩性差，設計襯砌類型Vcw。以DK449+093為例，斷面在開挖后20 d內，上臺階拱頂(測點A)下沉量顯著增加，40 d 后逐漸趨于穩定。在93 d的監測周期內，累計沉降量10.8 mm，平均沉降速率0.12 mm/d，最大沉降速率1.26 mm/d。上臺階邊墻(測點S1)開挖20 d 收斂顯著，在93 d的監測周期內累計收斂量為8.4 mm，最大收斂速率1.2 mm/d，平均收斂速率0.09 mm/d。下臺階邊墻(測線S2)開挖20 d內顯著變形，74 d的監測周期內累計收斂量為7.2 mm，最大收斂速率1.4 mm/d，平均收斂速率0.1 mm/d。

(3)大型機械化配套全斷面法開挖監控量測(含仰拱)。拱頂顯著沉降主要發生在10～30 d內，最大可達7.2 mm，最大沉降速率1.71 mm/d。隧道周邊收斂隨開挖時間的推移表現出先快后慢，并最終輕微波動的變化規律。拱腰處測線S1的最大收斂速率約1.5 mm/d，最大累計收斂量7.3 mm。邊墻處S2測線的最大收斂速率約1.2 mm/d，最大累計收斂量7.3 mm。

2.2 監控量測數據綜合分析

隧道拱頂下沉和凈空變化總體較小。三臺階、兩臺階開挖最快沉降速率出現的時間節點均為下部開挖時間節點，如DK449+073.000斷面中臺階于2017年6月26日開挖，6月27日拱頂沉降觀測A測點沉降數據明顯增大，沉降速率2.09 mm/d，上臺階收斂S1測線最大收斂速率1.71 mm/d；下臺階于7月4日開挖，7月5日中臺階收斂S2測線最大收斂速率1.39 mm/d；仰拱于7月14日開挖，7月15日下臺階收斂S3測線最大收斂速率2.7 mm/d。

不同開挖工法條件下平均變形量分布見圖6。從圖6可以看出，拱頂下沉最小的斷面DK449+403采用的是全斷面帶仰拱工法開挖，開挖累積沉降量5.8 mm。而沉降量最大的斷面為DK449+073，采用工法為三臺階法，開挖累積沉降22.6 mm。凈空收斂最小的斷面DK449+403采用的是全斷面帶仰拱法開挖，開挖積累凈空收斂4.3 mm，最大的斷面DK449+098采用的是兩臺階法開挖，開挖積累凈空收斂11.9 mm。通過以上數據分析可知，全斷面帶仰拱工法開挖斷面的開挖積累拱頂沉降約為三臺階工法斷面的34.4%、為兩臺階法開挖斷面的47.6%；全斷面帶仰拱工法開挖斷面的開挖積累凈空收斂約為三臺階開挖斷面的85%、為兩臺階開挖斷面的67.4%。

圖6 不同開挖工法條件下平均變形量分布

3 計算模型及參數

3.1 數值模型建立及參數

選用Abaqus有限元分析軟件進行二維隧道開挖穩定性的非線性分析。根據現場情況，圍巖級別設為V級，采用實體單元進行模擬，噴射混凝土厚度為24 cm，采用殼單元進行模擬。為消除邊界效應的影響，計算范圍選取以隧道中心線兩側5～6倍的隧洞半徑作為模型邊界，其他埋深以自重荷載形式體現。模型長80 m，高為92 m，左右兩側邊界采用水平向位移約束，模型底部邊界采用Z向位移約束。隧道開挖的應力釋放率控制在30%左右。初期支護施作后，釋放所有節點荷載，錨固及超前支護則通過提高圍巖加固圈(5 m)巖體力學參數實現。假定地層結構模型滿足M-C彈塑性本構模型，根據現場的基礎力學試驗得到圍巖及支護結構參數取值，見表1。

表1 材料物理力學參數

3.2 建立界面及接觸關系

在實際的圍巖開挖及支護過程中，圍巖和噴射混凝土之間不可能完全貼合，而是具有一定的接觸特性。兩者的界面之間并非完全光滑，也并非可以承受無限大摩擦力，界面間可以傳遞一定的剪切應力或產生相對滑動。此外，襯砌結構和圍巖兩者剛度差異的存在也會影響兩者的相互作用，這在以往的數值分析中并未考慮[15]。襯砌結構與圍巖接觸關系見圖7。現有研究表明，考慮界面接觸效應使得計算得到的結果與實際更為符合。

圖7 襯砌結構與圍巖接觸關系

本文采用罰函數接觸算法對圍巖與支護結構接觸及相互作用進行研究。將非線性問題中的約束條件通過變換，轉換為無約束條件下求極值的問題。原目標函數g(x)可通過采用罰函數法改變為增廣目標函數，也即罰函數P，公式為

(1)

(2)

式中，nk為罰因子。當fi(x)不為0時，無法滿足約束，罰函數P(x，nk)取值會很大；當fi(x)=0時，可以得到

P(x，nk)=fi(x)

(3)

此時，式(2)求解可轉化為無約束最優化問題，即

(4)

當圍巖與襯砌接觸時，荷載作用下兩者會發生粘結滑動，采用罰函數進行約束，當襯砌與圍巖相對運動滿足接觸條件時，即可得到符合實際的開挖支護狀態。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 圍巖位移變化特性

不同工法開挖圍巖位移云圖見圖8、9。數值模擬與實測圍巖位移對比見圖10。從圖8、9、10可知，不同工法條件下圍巖拱頂沉降變化規律一致，但量值有所差異，數值模擬結果均比現場實測要偏大，增幅范圍均在20%以內。由計算結果可以看出，無論是臺階法還是全斷面開挖，圍巖豎向變形均是以拱頂沉降為主。其中，全斷面法、三臺階法和兩臺階法的最大拱頂沉降值分別為8.5、16.4、22.6 mm，而拱底則以隆起為主。兩側的拱肩和拱腳范圍內以水平橫向變形為主，洞周收斂全斷面法為7.9 mm，三臺階法為10.8 mm，兩臺階法為11.4 mm，全斷面開挖對于圍巖變形控制效果相對較好。通過與現場監控量測的對比分析可以看出，數值模擬結果與現場實測數據雖然在結果上有所差異，但不同工法條件下圍巖位移的變化規律是一致的，表明所建立的模型及參數取值與實際較為符合。

圖8 圍巖Y向的位移云圖

圖9 圍巖X向的位移云圖

圖10 數值模擬與實測圍巖位移對比

3.3.2 圍巖應力分布特性

圍巖應力分布見圖11。從圖11可以看出，不同開挖工法條件下，圍巖屈服應力分布有較大差異。其中，全斷面開挖條件下，隧道兩側邊墻及拱腳處屈服應力較大，但分布較為均勻，約為1.88 MPa。兩臺階法開挖時，上臺階初期支護底部至拱腳處圍巖屈服應力較大，約為1.92 MPa，應力分布由上向下部延伸并逐漸增加。三臺階法開挖時，圍巖屈服應力由第一層臺階至第三層臺階逐漸增加，最大應力分布于拱腳處，約為1.95 MPa，且分段襯砌連接處圍巖在開挖過程中出現了應力集中現象。

圖11 圍巖應力分布

3.3.3 支護結構受力特性

由于兩臺階和三臺階法受力分布相似，故選取全斷面和臺階法初期支護最小主應力分布圖進行對比分析。不同施工方法初期支護結構最小主應力云圖見圖12。從圖12可以看出，隧道不同工法開挖條件下，初期支護多以受壓為主，最大壓應力可達6 MPa。全斷面開挖工法中，拱底受拉作用顯著；而臺階法開挖中可以明顯看到每層支護結構銜接部位有明顯的拉應力破壞特征，拱底也同樣受到一定的拉應力作用。

圖12 不同施工方法初期支護結構最小主應力云圖

斷面的軸力和彎矩分布見圖13。從圖13可以看出，拱頂處軸力較小，約為400 kN，而仰拱處軸力最大，約為1 600 kN左右。2種開挖條件下仰拱及拱頂處軸力大小相近。其中，全斷面法軸力最大約為1 521 kN，而臺階法最大為1 633 kN，兩側邊墻處軸力則是全斷面法開挖相對較大。在彎矩分布上，拱頂處臺階法施工的彎矩明顯大于全斷面法開挖，但兩側邊墻處彎矩則是全斷面法較大；仰拱處2種開挖方法彎矩大小相近，約為2～3 kN·m。

圖13 斷面初期支護結構軸力及彎矩

4 結 語

本文通過現場試驗、數值模擬等手段，研究了IV、V級軟弱圍巖條件下隧道開挖支護特性，在考慮界面效應的基礎上，綜合對比分析了臺階法和全斷面法開挖后圍巖、支護結構的力學及變形響應，得到如下結論：

(1)軟弱圍巖條件下，開挖拱頂沉降及結構壓應力較大。不同開挖工法條件下引起的圍巖變形和支護結構受力特性雖有所差異，但現場及數值模擬結果表明，2種工法均能滿足圍巖變形及初期支護結構安全性的要求。

(2)臺階法有利于開挖面的穩定性，尤其是上部開挖支護后，下部作業則較為安全。但分部多次開挖對圍巖大量擾動，初期支護變形多次累加，不利于支護結構穩定，變形風險增大。

(3)在大型機械化施工條件下，掌子面采用合理超前支護及預加固措施，保障掌子面穩定及安全前提下，采用機械化全斷面帶仰拱一次性開挖工法，掌子面一次性開挖到位，一方面減少圍巖重復擾動，有效降低變形，另一方面仰拱隨掌子面初期支護同步封閉成環，有效保證了掌子面初期支護的穩定。同時，大斷面開挖可充分發揮機械化設備大斷面施工優勢，有效提升現場施工效率。