軟弱圍巖隧道機械化施工初期支護安全性分析

蒲實

[摘? 要]：隧道智能建造相較于傳統隧道施工具有施工效率高、作業人員少、施工質量有保證等優點，而全斷面或微臺階開挖是隧道智能機械化施工實現的重要前提，因此為了適應隧道智能機械化施工，隧道初期支護體系和工法都要作相應調整。文章在全斷面和微臺階開挖條件下，分析Ⅴ級圍巖初期支護施工期安全性，通過分析評判指標給出該型初期支護是否能夠在相同地層條件下進行施工。

[關鍵詞]：公路隧道; 開挖工法; 超前預支護; 系統錨桿; 安全性評價; 數值模擬

U453.49A

G4216線寧南至攀枝花段高速公路位于涼山彝族自治州和攀枝花市境內，是謀劃中國經濟新棋局作出的既利當前又惠長遠的重大戰略決策。當前各行各業都處于由傳統制造向互聯網智能化方向發展的歷史洪流當中，而工程建設行業還是相當落后，因此從提高隧道施工效率、保證施工質量以及確保施工安全的角度出發，機械化、少人化以及智能化是隧道工程建設亟待解決的重大課題。

本文以特長隧道火山隧道為例，采用數值模擬對Ⅴ級圍巖微臺階、全斷面開挖的初期支護體系進行安全性評價分析。

1 計算模型建立

計算模型邊界條件：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取35 m，模型沿隧道縱向取20 m，埋深為60 m。兩側施加水平方向的位移約束，與隧道軸線垂直的前后兩側施加沿軸向的位移約束，底部邊界施加垂直方向的位移約束，頂部為自由表面，不進行約束。

各級圍巖參數參考JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》。Ⅰ型初期支護系統參數：初期支護為24 cm的C30噴射混凝土，系統錨桿C22藥卷錨桿，長度3.0 m，超前支護為42 mm注漿導管，長度為6 m，采用微臺階開挖;Ⅱ型初期支護系統參數：初期支護為24 cm的C30噴射混凝土，系統錨桿直徑為C22藥卷錨桿，長度3.0 m，超前支護為50 mm小導管，長度為6 m，采用全斷面開挖（表1）。計算中圍巖、初期和二襯均采用6面體單元進行模擬，鋼拱架的作用采用等效的方法考慮到初期支護中，系統錨桿采用Cable單元模擬，超前支護采用Pile單元模擬（圖1～圖4）。

為了消除邊界效應，2種工況均以y=10 m為目標面進行分析，得出初期支護位移、軸力和彎矩，并計算出安全系數。

2 計算結果分析

計算結果見圖5、圖6、表2。

2.1 Ⅴ級圍巖微臺階開挖

通過豎向位移云圖可知，微臺階法開挖拱頂的豎向位移為8.65 mm，拱肩位移收斂值為3.98 mm，拱腰位移收斂值為6.21 mm，初期支護在施工過程中位移逐漸收斂，并且均未超過初期支護變形控制基準值，初期支護不會侵限。

從塑性區的分布可知，塑性區主要分布在拱頂、拱墻和拱腳位置，拱墻位置與拱腳位置的塑性區相互連通，施工過程中應重點關注拱墻位置，該區域內容易出現掉塊、塌方等情況，施工過程中應嚴格落實系統錨桿的施作（圖7）。

由于超前支護的作用，拱頂在超前支護的梁作用下，限制了拱頂圍巖的松弛，有效抑制了松動圈的擴大。

通過獲取隧道開挖后拱頂的豎向位移，洞周的收斂位移，掌子面擠出位移，塑性區的分布等，并通過初期支護的安全系數綜合評價施工安全性。初期支護評判指標如表2所示。

對于安全系數而言，上下臺階開挖，安全系數均大于規范規定的1.53，各階段施工都是安全的。初期支護封閉成環后，最小安全系數出現在隧道拱腰處，左拱腳為3.26，右拱腳為3.28。

2.2 Ⅴ級圍巖全斷面開挖

計算結果見圖8～圖10、表3。

初期支護評判指標如表3所示。

對于安全系數而言，上下臺階開挖，安全系數均大于規范規定的1.53，各階段施工都是安全的。初期支護封閉成環后，最小安全系數出現在隧道拱腰處，左拱腳為2.54，右拱腳為2.49。

3 結論

（1）通過對比2種襯砌支護參數下微臺階開挖和全斷面3.2開挖發現，Z5jb（Ⅰ）型初期支護的最小安全系數為3.26，Z5jb（Ⅱ）型初期支護的最小安全系數為2.49，均滿足規范規定的控制標準1.53，兩種支護參數條件下均能保證隧道施工安全。

（2）2種工法塑性區均分布在拱頂、拱墻和拱腳位置，拱墻與拱腳的塑性區相互連通，施工過程中應重點關注拱墻位置，該區域內容易出現掉塊、塌方等情況，施工過程中應嚴格落實系統錨桿的施作。

（3）對比分析2種工法拱頂塑性區，采用上下臺階法+42 mm超前小導管的塑性區小于全斷面法+50 mm超前管棚的塑性區，由此可以說明在圍巖較差地段，預留核心土是控制圍巖變形和松弛的關鍵措施。

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