環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法隧道掌子面穩(wěn)定性分析

摘要 文章針對(duì)穿越Ⅴ級(jí)圍巖（強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）的小凈距隧道，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。為了保證隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性，需要采用5.5 m的長(zhǎng)錨管進(jìn)行加固。為了方便長(zhǎng)錨管的施工，通過(guò)調(diào)整核心土面積并對(duì)隧道掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。通過(guò)建立三維有限元模型，模擬不同施工工況下的掌子面穩(wěn)定性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，調(diào)整后的核心土面積能夠滿足施工要求，保證掌子面的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保整個(gè)隧道施工的安全。這一研究對(duì)于類似地質(zhì)條件下的隧道施工具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 Ⅴ級(jí)圍巖；環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法；核心土面積；隧道施工

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0125-03

0 引言

小凈距隧道Ⅴ級(jí)圍巖采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法進(jìn)行施工，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）規(guī)定：核心土面積宜不小于斷面面積的50%，但根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖紙，小凈距隧道中的夾巖體需進(jìn)行5.5 m的長(zhǎng)錨管加固，核心土面積較大則影響長(zhǎng)錨管的施工。為方便長(zhǎng)錨管施工，需要調(diào)整核心土面積。因此，進(jìn)一步探討Ⅴ級(jí)圍巖掌子面的穩(wěn)定性分析具有一定的實(shí)際意義及工程價(jià)值。

1 工程概況

一級(jí)公路路線全長(zhǎng)約1.16 km，其中隧道長(zhǎng)約992.5 m（左右洞平均長(zhǎng)度）。隧道單洞凈寬12 m；隧道出洞口為丘陵緩坡，自然坡度10°～15°，坡表為雜樹(shù)林，表部為殘坡積層，黃褐色，主要由碎石、角礫及黏性土組成，厚度為0.5～2 m不等，碎石含量約10%～20%，粒徑為2～4 cm，局部大于15 cm，其余為黏性土；下浮基巖為砂礫巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，全強(qiáng)風(fēng)化呈灰褐、紫紅色；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體較完整，巖質(zhì)軟，遇水易軟化崩解。隧址區(qū)總體位于玄武巖臺(tái)地內(nèi)，洞身穿越含礫粉砂巖和砂礫巖；隧道全線為Ⅴ級(jí)小凈距隧道，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工，機(jī)械開(kāi)挖施工，隧道圍巖的整體穩(wěn)定性較差，由于小凈距隧道需要對(duì)中夾巖層進(jìn)行加固處理，核心土將影響5.5 m的小導(dǎo)管施工，為滿足施工需要，需調(diào)整核心土面積，以方便中夾巖的加固施工[1]。

2 地質(zhì)、水文情況及掌子面理論分析

隧址區(qū)主要為玄武巖臺(tái)地，地勢(shì)平緩，隧道埋深5～60 m。坡表為薄層耕植土，其下為殘破積層，黃褐色，主要由黏性土及含黏性土的碎礫石組成，厚度為0.5～2 m不等，碎石含量約10%～20%，粒徑2～4 cm。其中隧道穿越山體表層局部存在覆蓋層滑坡，地層巖性主要為含碎石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎塊石、塊石，雜亂分布，厚度約7～8 m，現(xiàn)狀已采用擋墻加固，坡體穩(wěn)定。下伏基巖為砂礫巖與泥質(zhì)粉砂巖互層。

地下水主要為殘坡積孔隙潛水和基巖裂隙水，匯水面積較大，地下水易于排泄，水量一般；開(kāi)挖時(shí)沿節(jié)理面會(huì)有滲水現(xiàn)象，降雨時(shí)可能有淋雨?duì)畛鏊?/p>

隧道穿越中風(fēng)化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，膠結(jié)性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整～較破碎，圍巖呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，Rc=5.9～7.5 Mpa，Kv=0.45～0.75，[BQ]=170.2～226.8，綜合評(píng)定圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)圍巖。

采用靜力平衡法對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖巖體隧道的掌子面破壞機(jī)理進(jìn)行分析，利用靜力平衡方法研究掌子面的穩(wěn)定性問(wèn)題，掌子面主動(dòng)土壓力與核心土提供的抗力相平衡[3]，從而認(rèn)定掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道掌子面的巖體較完整，巖體抗壓強(qiáng)度較低，考慮施工節(jié)奏較為緊密，暫不考慮風(fēng)化差異性對(duì)巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)合施工工況對(duì)隧道變形進(jìn)行控制分析。

3 三維有限元模型

依據(jù)地勘報(bào)告和隧道設(shè)計(jì)圖紙，建議三維隧道模型，模型的具體尺寸為70 m×30 m×35 m（長(zhǎng)×寬×高）。隧道跨徑取B=13.70 m，隧道拱頂距模型頂部的距離為15 m。模型邊界條件：模型的底部為固定邊界，四周為法向約束邊界，頂部為自由邊界。圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，如圖1、圖2、圖3所示：

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和勘察資料，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

4 施工階段與數(shù)值模擬結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖1.5 m數(shù)值模擬如圖4所示：

隧道開(kāi)挖7.5 m數(shù)值模擬如圖5所示：

隧道開(kāi)挖10.5 m數(shù)值模擬如圖6所示：

數(shù)值模擬變形結(jié)果如圖7所示：

數(shù)值模擬變形結(jié)果如表2所示：

5 結(jié)果分析

根據(jù)軟件三維建模計(jì)算結(jié)果，隧道中部核心土頂部及隧道拱頂位置為變形最大位移處[2]，隧道掌子面位移變形量為0.97～1.73 mm，可以保持穩(wěn)定狀態(tài)；隧道拱頂部位移變形量為1.72～18.5 mm，能夠滿足隧道設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量；核心土區(qū)域頂部位移變形量為3.6～20.2 mm，不會(huì)出現(xiàn)隧道的底部隆起。隧道采用機(jī)械開(kāi)挖的方式，施工振動(dòng)較小，對(duì)圍巖的自穩(wěn)定能力影響較小。因此，綜合隧道各部位的變形量結(jié)果，可以滿足設(shè)計(jì)要求和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6.1 拱頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

調(diào)整核心土后，隧道機(jī)械開(kāi)挖施工的拱頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示：

6.2 周邊地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

調(diào)整核心土后，隧道機(jī)械開(kāi)挖施工的周邊地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所示：

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

隧道Ⅴ級(jí)圍巖整體性較好，局部含軟弱夾層，隧道進(jìn)洞后滲水量較少，具有一定的自穩(wěn)能力，在初期支護(hù)及時(shí)的情況下，可以縮小核心土面積，方便中夾巖的加固施工，同時(shí)可以保證掌子面的穩(wěn)定性，既加快了項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度，又保證了項(xiàng)目的施工安全性。根據(jù)調(diào)整核心土面積后施工過(guò)程中反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模型分析結(jié)果相近，屬于可控范圍，能夠滿足安全施工的要求。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，考慮施工的便利性，在現(xiàn)有圍巖的地質(zhì)情況下，調(diào)整后核心土的面積可以滿足隧道掌子面穩(wěn)定性的需求。

7.2 建議

在隧道施工中應(yīng)及時(shí)關(guān)注掌子面的圍巖地質(zhì)情況變化及滲水量大小，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的分析成果，以及施工后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整核心土面積。開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)的施工，防止局部節(jié)理裂隙發(fā)育而發(fā)生小型的圍巖塌落，保障施工安全。

參考文獻(xiàn)

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