破碎圍巖條件下大斷面隧道轉換施工優化方法研究

摘要：由于大斷面隧道結構穩定性差，因此對轉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量，確保施工安全性，研究破碎圍巖條件下大斷面隧道轉換施工優化方法。通過雙側壁導坑法開挖Ⅴ級破碎圍巖，采用交叉中隔壁法開挖Ⅳ級破碎圍巖，在兩個圍巖等級交界處轉換工法，分析開挖進尺與鋼拱架間距對破碎圍巖變形的影響，并優化施工參數。結果表明：開挖進尺越大，隧道襯砌變形幅度越大;為確保圍巖變形最小，埋深<250 m時開挖進尺宜選取1 m，埋深>350 m時開挖進尺宜選取2 m;鋼拱架間距與其最大拉應力值成正比，鋼拱架間距為0.5～0.9 m時，施工安全性最好，能夠有效提高大斷面隧道施工質量。

關鍵詞：破碎圍巖;大斷面隧道;轉換施工;優化方法;雙側壁導坑法;交叉中隔壁法

中圖分類號：U455.4

0 引言

破碎圍巖條件下，圍巖變形情況較為復雜，加劇了大斷面隧道施工的難度，同時這種條件下對于大斷面隧道施工要求也較高。若施工參數不規范，會導致隧道施工存在風險[1]，甚至出現坍塌現象。為確保施工工期不延后，且保證施工質量[2]，需針對圍巖等級的不同，設計不同的施工工法。在轉換施工工法時，若轉換時間不合理，也會提升施工難度，導致危險事件發生[3]。

梁廣山等[4]為加快施工速度，研究隧道施工工法轉換方法，縮短工期，但該方法并未考慮圍巖條件，且施工參數不規范，降低了施工安全性。唐喜奎[5]為提升隧道施工安全，研究轉換施工方法，充分考慮地質因素，降低隧道施工風險，但該方法沒有考慮施工參數對圍巖變形的影響，施工參數規范性差，會延誤施工工期。

為確保施工安全且加快施工進度，綜合考慮地質因素與施工參數對圍巖變形的影響，本文研究破碎條件下大斷面隧道轉換施工優化方法，分析合理的工法轉換時間，獲取最優施工參數，確保施工安全。

1 工程概況

本文以某省鐵路客運專線為研究對象，該線路的長度為360 km，線路等級是客運專線，行駛速度為251 km/h。該條線路施工完成后，能夠帶動該地區的旅游發展[6]。該條客運專線中某隧道長度是4 933.46 m，隧道沿線地形比較陡峭，最大高度差為410 m。該隧道圍巖的力學性質穩定性較差，施工難度較大。

該隧道經過的破碎圍巖為炭質千枚巖，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為Ⅴ級，厚度為0.5～11.8 m，起止樁號是SG2+090～SG2+193;鄰近的破碎圍巖等級為Ⅳ級，穩定性高于Ⅴ級圍巖，起止樁號為SG2+193～SG2+363。巖體整體呈褶皺發育，節理將薄巖層分割為破碎狀，破碎程度較高。因為隧道沿線屬于破碎圍巖，施工時易出現變形，所以需要分析地質因素與力學規律，研究大斷面隧道轉換施工優化方法，降低施工風險。

2 方法和材料

2.1 大斷面隧道轉換施工方法

要充分分析開挖進尺與側壓力系數等對破碎圍巖變形的影響，并參考地質因素與隧道設計規范，研究破碎圍巖時大斷面隧道轉換施工優化方法，提升施工安全性[7]。Ⅴ級破碎圍巖通過雙側壁導坑法進行施工，記作工法1;Ⅳ級破碎圍巖通過CRD（交叉中隔壁）法進行施工，記作工法2。Ⅴ級破碎圍巖至Ⅳ級破碎圍巖連接處（SG2+189至SG+203），需要轉換施工工法，由工法1轉換至工法2。具體轉換施工步驟如下：

步驟1：圍巖等級Ⅴ級時，采用工法1展開施工，不斷擴展隧道兩側導洞的掌子面開挖面積，令左右兩側的初期支護同時移向隧道中線，導致左右兩側導坑初期仰拱不斷變大，中間導坑初期仰拱不斷變小。

步驟2：在左右初期支護彼此搭接情況下，結束移動。

步驟3：拿走右側支護，保留左側支護，將工法1中保留的左側支護轉換為工法2中的中間初期支護，實現施工工法轉換。

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

2.2 計算方法

通過有限差分軟件FLAC 3D分析大斷面隧道轉換施工優化方法的影響因素，對轉換施工過程中的參數進行優化，影響因素包含開挖進尺與側壓力系數等。隧道開挖影響區域屬于洞徑的4～6倍，按照地質因素與轉換施工工法，簡化計算模型，獲取該模型的橫向長度為90 m，隧道軸線方向長度為40 m，縱向長度為埋深。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，支護承擔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 計算參數

破碎圍巖力學參數如表1所示。

2.4 支護模擬

在轉換施工工法中，先開挖再支護施工。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，各材料物理力學參數如表2所示。

2.5 開挖模擬

利用FLAC 3D軟件計算分析開挖進尺分別為1 m、2 m、3 m與4 m時的隧道襯砌變形情況，確定較優開挖進尺，再獲取不同埋深時的最優開挖進尺，最后獲取最優側壓力系數與最佳鋼拱架間距，完成施工參數優化。

3 優化結果分析

3.1 開挖進尺優化分析

利用FLAC 3D軟件計算分析不同開挖進尺時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，不同開挖進尺時隧道襯砌變形情況如表3所示。

分析表3可知，開挖進尺越大，拱頂沉降量越多，開挖進尺為1～3 m時，沉降量相差較小，開挖進尺為4 m時，沉降量明顯增多。開挖進尺不同，隧道的結構內力也出現改變，開挖進尺越大，拱頂與拱肩的軸力均不斷降低，彎矩不斷提升，導致結構的安全性越來越差，開挖進尺為1～3 m時，兩個監測點的軸力、彎矩差距不大，在開挖進尺為4 m時，軸力下降幅度與彎矩提升幅度均較大。綜合分析可知，開挖進尺為1～3 m時，隧道襯砌變形幅度較小，因此，在破碎圍巖條件下，大斷面隧道轉換施工工法優化后的開挖進尺宜選擇1～3 m。

利用FLAC 3D軟件計算分析開挖進尺為1～3 m時，埋深分別為150 m、250 m、350 m、450 m時的圍巖變形情況，為不同埋深情況選取最優的開挖進尺。大斷面隧道轉換施工開挖進尺為1～3 m時，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，開挖進尺為1 m時拱頂沉降量顯著低于其余兩個開挖進尺，即此時圍巖變形最小;在埋深≥350 m時，開挖進尺為2 m時圍巖變形最小，埋深為350 m與450 m時開挖進尺為2 m的拱頂沉降值變化趨勢大致相同。分析原因可知，在埋深不深時，隧道開挖里程越長，開挖擾動次數越多，圍巖變形受其影響較大，此時，開挖進尺小，擾動次數就少，圍巖變形越小;埋深較深時，擾動次數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，大斷面隧道轉換施工優化時，需充分分析地層條件與開挖擾動次數。在這種情況下，最佳的開挖進尺為2 m。綜合分析可知，埋深≤250 m時，最優開挖進尺為1 m;埋深≥350 m時，最優開挖進尺為2 m。

3.2 側壓力系數優化分析

利用FLAC 3D軟件計算分析不同側壓力系數在隧道轉換施工時圍巖的變化情況，側壓力系數屬于除埋深以外的主要地質因素。以埋深450 m、開挖進尺2 m為固定條件，分析不同側壓力系數時大斷面隧道轉換施工時圍巖變化情況。側壓力系數通常為0.5、0.6、0.7、0.8，不同側壓力系數情況下隧道圍巖沿軸向發展情況如圖2所示。

分析圖2可知，側壓力系數越大，隧道拱頂沉降值越大，即圍巖變形越大，在側壓力系數為0.8時，隧道拱頂沉降值明顯高于其余三個側壓力系數時的拱頂沉降值，此時，隧道位移也最大。試驗證明：側壓力系數過大時，在圍巖應力調整時隧道洞壁變形較大，因此，在大斷面隧道轉換施工時不宜選取過大的側壓力系數。

3.3 鋼拱架間距優化分析

利用FLAC 3D軟件計算分析鋼拱架間距不同時隧道轉換施工時拱架的最大拉應力值，分析結果如圖3所示。

分析圖3可知，Ⅰ20a與Ⅰ25a的K值變化趨勢一致，Ⅰ25a在間距為0.5～1.1 m時的K值未超過值，Ⅰ20a在間距為0.5～0.9 m時的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≤1.1 m;Ⅰ20a鋼拱架的最大拉應力值顯著高于Ⅰ25a鋼拱架，而Ⅰ25a鋼拱架間距范圍大于Ⅰ20a鋼拱架。試驗證明：在破碎圍巖條件下，大斷面隧道轉換施工時鋼拱架間距宜選0.5～0.9 m，鋼拱架型號宜選擇Ⅰ25a，隧道施工安全性較高。

4 結語

目前大斷面隧道轉換施工時工法較為保守，轉換時經常出現停工問題，嚴重耽誤工期。為此，研究破碎圍巖條件下大斷面隧道轉換施工優化方法，利用雙側壁導坑法與CRD法實現不同破碎圍巖等級時的施工轉換，分析轉換施工時側壓力系數與鋼拱架型號等對隧道圍巖變形的影響，選取最優施工參數，完成轉換施工優化。試驗結果表明：側壓力系數越大，隧道圍巖變形情況越嚴重，最優側壓力系數取值區間為0.5～0.7;為提升隧道施工安全，鋼拱架型號宜選擇Ⅰ25a型。

參考文獻

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作者簡介：

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。