公路隧道項目跨軟弱斷層的開挖施工技術探討

李凱

摘要 針對軟弱斷裂、破碎圍巖段的隧洞開挖施工存在的突水、塌方等施工安全問題，結合某高速公路隧道穿越軟弱斷裂圍巖段施工實踐進行施工技術難點分析。利用有限元軟件對不同開挖方式下穿越軟弱斷裂的深埋隧洞施工進行圍巖穩定性分析，希望能對同類項目起到一定的參考作用。

關鍵詞 公路隧道項目；軟弱斷層；開挖工法；圍巖穩定性

中圖分類號 U455.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0054-03

0 引言

近幾年，我國高速公路的建設規模日益擴大，隧道施工面臨的地質情況愈加復雜，施工安全風險較大。在施工實踐中往往需穿越軟弱斷裂的巖體區，而此類地質體的結構十分脆弱，施工時容易發生突泥、塌方、突水等安全事故，造成嚴重的生命財產損失。為了確保隧道工程安全高效地開展，進行相關的理論和實踐研究很有必要。

1 工程概況

某高速公路隧道全長1 966 m。該隧道工程所在區域地質情況復雜，以太古界、第四紀坡積、洪積層、長城系為主，其中洪積層和第四紀坡積分布連續，地層厚度在0.8～3.5 m之間。隧道洞身穿越3條泥巖和砂巖組成的斷層，各斷層寬度在20～50 m之間，斷裂方向大致與高速公路線路基本垂直。該高速公路隧道為分段式中等跨度隧道，其單洞結構極限尺寸為11.0 m×5.5 m，出入口平面采用單方斜坡設計，坡度2.6%，抗震設防烈度為8級，設計荷載為公路—I級。

2 數值計算模型及方案設計

采用有限元方法模擬不同的隧道跨軟弱斷層的開挖施工方案，對穿越斷層隧洞的施工工藝進行優選。實踐中針對穿越斷層隧道開挖常采取臺階法，根據 MidasGTS/NX有限元仿真工具，基于不同的臺階數目和不同的芯土體，從襯砌結構的主應力和變形等角度，對臺階法進行優選分析[1]。

（1）結合該隧道工程施工現場實際情況對巖體斷裂進行數值仿真，通過參數弱化模擬斷層地質情況，該斷層的傾斜角度和夾角約為90°，層厚19 m，圍巖等級為Ⅴ類。表1給出了斷層的相關弱化參數[2]。

（2）在前期支護施工中，支護系統的錨索使用4 m長的錨管，采用C25混凝土進行噴射作業，仰拱、拱壁厚28 cm，全環由I20b型鋼構成拱架。在此基礎上，適當增加初始支護的彈性模量等參量，采用等效法對鋼拱架的支護效果進行簡化，具體公式如下：

式中，E0——初始噴射混凝土的彈性模量；E——折算后的噴射混凝土彈性模量；Sg——鋼架的截面積；Eg——鋼材彈性模量；Sc——噴射混凝土的截面積。

（3）鋼材和混凝土的相關參數基于相關隧道工程施工設計要求以及混凝土結構設計規范確定，初期支護的數值模擬參數見表2。

（4）在進行開挖施工方案的優選時，二次襯砌用于安全儲備，以初期支護為主承載體，因此，可忽略二次襯砌的影響，重點分析初期支護的影響。初期支護結構主要為鋼拱架、噴錨支護結構，鋼拱架混凝土作為一個整體，用二維板單元進行仿真分析，而錨桿則通過一維內插桁架單元進行仿真分析[3]。

3 數值模擬方案設計

數值仿真計算時，先開挖模擬再進行噴射混凝土支護模擬。保持封閉距離不變，擬定多種開挖施工方案，進行優選計算分析，擬定工況統計結果見表3。施工過程中，所有仰拱均單獨開挖，開挖進尺均為2 m，并確保封閉距離不變。

隧道重點位置的位移和變形監測，由于是對稱結構，在此僅選取一側的相關部位進行監測，測點設置見圖1。仰拱、拱頂處監測豎向位移，邊墻拱腳處監測水平位移。

4 不同開挖工法襯砌應力分析

開挖施工結束后，對襯砌結構的受力進行計算，相關模型均采用20 m的斷層厚度，因此，僅選取斷層中部的一環襯砌作為試件進行應力分析，3種工況下襯砌結構的主應力最大/最小值見圖2～7。不同開挖工法襯砌應力統計見表4[4]。

根據圖2～7數據分析可以看出：①在不同工況下，襯砌結構的主應力最大/最小值云圖近似，壓應力較大、拉應力較小，在斷層內部的襯砌主要受到壓力作用；②開挖工作方式由V-01向V-03轉變的過程中，臺階法、臨時仰拱法、預留核心土法對應的襯砌應力極值增加，但分布較為均衡，較少出現應力集中現象，且應力值較小；③從襯砌結構的受力情況來看，穿越軟弱斷層的隧道開挖施工應采取臺階法，且三段式臺階法要比二段式臺階法效果更好，預留核心土可提高襯砌結構的受力情況[5]。

5 不同開挖工法圍巖變形分析

開挖結束后，圍巖變形計算，模型統一選取20 m的斷層厚度，故只選取在該模型中部橫向斷面進行圍巖體變形計算分析，其極值計算分析結構見表5。

根據表5可以看出：①無論施工方法如何改變，豎向位移的隆起極值均大于沉降極限；②從水平位移來看，水平對稱位置的水平位移差異不大；③兩臺階法、三臺階法和三臺階預留核心土法對應的隆起值、沉降值與水平位移值均下降；④采用臺階法預留核心土法可有效抑制巖體變形，因而從巖體總體變形角度看，應采用臺階法進行穿越斷層隧道開挖，三段式臺階法效果優于二段式臺階法，而且三臺階預留核心土法在圍巖變形控制及維護圍巖穩定性方面具有顯著優勢[6]。

6 不同斷面形式監測點位移時空變化分析

經比較分析得出：①不同工況下，且在邊界條件下，模型有局部增減；②隧道施工中位移極大值均出現在斷層中；③測點數據顯示，斷層內的位移變化幅度顯著增加，斷層外的位移變化則相對平緩，尤其是拱頂處的位移，在斷層時位移變化顯著；④在開挖工法—兩臺階開挖—三臺階再到預留核心土的過程中，一般圍巖段的位移變化不顯著，但在軟弱斷層段內，圍巖各處的位移顯著降低[7]。

7 結論

綜上所述，在穿越軟弱斷層隧道施工中，不同的開挖施工方案下，襯砌結構的受力均以承壓為主。依次采用二段式臺階法、三段式臺階法、預留核心土法開挖，仿真結果顯示采用臺階法進行開挖施工，雖然在施工過程中土應力極值增加，但應力分布更均衡[8]。

（1）依次采用二段式臺階法、三段式臺階法和預留核心土法開挖。

（2）對測點處的位移進行時間特征和空間特征分析，在一定程度上減少了軟弱斷層對開挖施工的影響。

（3）從襯砌的受力、圍巖的變形、圍巖的穩定等多個方面分析發現，在穿越軟弱斷層隧道施工中，應采用臺階法開挖，且三段式臺階法效果略好于二段式臺階法，更好地確保圍巖的穩定性，從而保證隧道施工安全[9]。

參考文獻

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[2]張恭平， 劉優平， 李雨希， 等. 大斷面深埋軟巖隧道開挖方法適應性研究[J]. 南昌工程學院學報， 2022（1）： 66-70+101.

[3]周智宇. 深埋大跨度隧道開挖力學性能分析及快速施工工法研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2021.

[4]傅甜甜. 朗鎮二號軟巖隧道開挖工法對比研究[D]. 拉薩：西藏大學， 2022.

[5]馬寶芬. 大斷面淺埋偏壓黃土隧道開挖工法優化及圍巖穩定性分析[D]. 西安：西安科技大學， 2021.

[6]代聰， 何川， 劉川昆， 等. 開挖工法對高地應力場軟巖隧道圍巖穩定性影響的模型試驗研究[J]. 現代隧道技術， 2020（4）： 141-149.

[7]郝洪興. 富水山嶺隧道開挖工法對圍巖穩定性的影響研究[J]. 水利與建筑工程學報， 2020（3）： 150-154+174.

[8]胡詩林. 大跨度地下洞室錨拉開挖工法研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2021.

[9]馬寶芬. 大斷面淺埋偏壓黃土隧道開挖工法優化及圍巖穩定性分析[D]. 西安：西安科技大學， 2021.