不同施工工法影響下軟巖隧道二襯安全步距分析

摘 要：文章以某擬建軟巖公路隧道（單洞雙車道）為研究背景，利用有限差分軟件設(shè)置不同施工工法的隧道數(shù)值開挖模型（全斷面、臺(tái)階法以及CD法），以巖土體累積總位移以及變形速度作為判斷依據(jù)，分析確定不同施工方法條件下的二襯施工安全步距。結(jié)果表明：以沉降值、收斂值、沉降速度和收斂速度作為依據(jù)，應(yīng)再結(jié)合施工安全與工作面要求對(duì)二襯安全步距進(jìn)行確定；基于施工安全與工作面要求，在支護(hù)承載力前提下得出擬建隧道最優(yōu)工法為全斷面法，二襯安全步距為18 m。該成果可為類似隧道二襯施工安全步距選取提供參考。關(guān)鍵詞：軟巖隧道；施工工法；二襯步距；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：U455.91

0 引言

施工安全步距作為隧道施工階段的安全控制環(huán)節(jié)，塌方工程事故原因多數(shù)與安全步距有關(guān)。施工安全步距設(shè)計(jì)過小或過大均有著不利影響，安全步距過小易導(dǎo)致機(jī)械進(jìn)場以及施工組織困難，設(shè)置過大又易導(dǎo)致巖土體變形過大，甚至發(fā)生塌方事故，因此利用數(shù)值模擬求解合理施工安全步距具有重大安全意義［1］。現(xiàn)行規(guī)范中施工安全步距是借助統(tǒng)計(jì)學(xué)形成的工程經(jīng)驗(yàn)取值，缺少理論支撐且未形成有效系統(tǒng)體系，滿足規(guī)范施工安全步距條件下仍出現(xiàn)工程事故的情況屢見不鮮，規(guī)范中僅針對(duì)巖土體等級(jí)進(jìn)行了粗略劃分，關(guān)于地下水以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響并未進(jìn)行準(zhǔn)確考慮，因此規(guī)范施工安全步距只能起到參考作用，增大或者縮小要根據(jù)實(shí)際隧道工程施工進(jìn)程而確定［2］。施工安全步距合理設(shè)置不僅是控制施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也同時(shí)關(guān)系著施工進(jìn)度，若施工安全步距存在局限性，將導(dǎo)致機(jī)械施工需轉(zhuǎn)化為人工，而使掘進(jìn)速率降低，考慮到施工安全與進(jìn)度的雙重要求，擬建隧道應(yīng)于施工前進(jìn)行工法可行性研究，模擬選擇出合適的施工工法，進(jìn)而確保隧道施工安全與施工進(jìn)度［3］。

目前施工安全步距主要從仰拱、二襯等方面進(jìn)行考慮，安全步距核心在于新奧法的“緊封閉”，及時(shí)封閉成環(huán)可有效承擔(dān)拱腳剪切作用，調(diào)整隧道開挖輪廓線形狀以確保隧道結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。鐵路建設(shè)規(guī)范中針對(duì)軟巖隧道（Ⅴ級(jí)及以上圍巖等級(jí)）的仰拱、二襯施工安全步距規(guī)定分別為35 m、70 m，而對(duì)于公路隧道而言仰拱、二襯施工安全步距分別為30 m、70 m［4］。黃維科等［5］對(duì)某Ⅳ級(jí)圍巖公路隧道采用機(jī)械化施工，基于施工安全與進(jìn)度需求對(duì)施工安全步距進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，研究表明施工安全步距選取80 m即可同時(shí)滿足施工安全與機(jī)械施工雙重要求；王齊［6］為實(shí)現(xiàn)隧道施工安全以及機(jī)械流水施工雙重要求，采用有限差分軟件設(shè)置Ⅳ級(jí)圍巖深埋隧道數(shù)值模型，對(duì)最大合理施工安全步距展開研究，探究支護(hù)條件下施工合理安全步距理論值；秦苛等［7］對(duì)某軟弱圍巖大斷面隧道的仰拱、二襯施工安全步距進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，利用有限差分軟件設(shè)置數(shù)值模型，從沉降、收斂變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方面進(jìn)行分析，研究表明調(diào)整施工安全步距會(huì)導(dǎo)致隧道變形以及應(yīng)力增增大，但仍然處于安全取值范圍內(nèi)；史繼堯等［8］借助實(shí)際隧道工程的勘察設(shè)計(jì)、施工工藝以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等資料，利用有限元軟件設(shè)置符合工程實(shí)際的數(shù)值仿真模型，基于軟巖隧道大變形等特點(diǎn)，探究仰拱施工安全步距和上下臺(tái)階長度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。考慮到目前施工安全步距的既有系統(tǒng)研究論點(diǎn)仍然存在不足，本文以某擬建的單洞雙車道軟巖公路隧道為模擬對(duì)象，利用有限差分軟件建立全斷面法、臺(tái)階法以及CD法開挖數(shù)值模擬，從預(yù)計(jì)總變形位移以及位移變形速度等兩方面明確二襯施工合理安全步距，為后續(xù)類似隧道施工安全步距的選擇提供參考。

1 工程背景

某擬建公路隧道長度為826 m，Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖分別占比23%、76%，軟巖區(qū)段主要為砂巖夾頁巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，地處地下水發(fā)育區(qū)域，裂隙與節(jié)理較為發(fā)育，最大埋深約57 m，Ⅴ級(jí)軟弱圍巖區(qū)段隧道輪廓線如下頁圖1所示，內(nèi)輪廓面積為77.2 m2。針對(duì)擬建隧道機(jī)械流水施工的合理性以及施工安全穩(wěn)定性，于隧道開挖前對(duì)施工工法進(jìn)行可行性探究，以二襯施工安全步距作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在保證施工安全性條件下選擇最優(yōu)二襯施工安全步距，初步支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)見下頁表1。

2 不同施工工法數(shù)值模型的建立

選擇最不利截面（埋深57 m）建立隧道開挖數(shù)值模型，考慮到開挖影響范圍以及施工安全步距的規(guī)范要求，設(shè)置水平×縱向×高度（100 m×100 m×100 m）的仿真模型，以加固區(qū)域代替鋼筋網(wǎng)與錨桿的效果，巖土體、加固范圍巖土體以及初支采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，二襯采用liner單元進(jìn)行模擬，巖土體均為摩爾-庫侖本構(gòu)，初支以及二襯為彈性本構(gòu)。力學(xué)邊界條件為上端自由，左右兩端為水平位移約束，前后兩端為縱向位移約束，底端為垂直方向約束，擬建隧道針對(duì)全斷面法、上下臺(tái)階法以及CD法等施工工法進(jìn)行開挖模擬分析，具體數(shù)值模型見圖2，詳細(xì)模擬參數(shù)見表2。隧道側(cè)壓力系數(shù)為0.5，每日循環(huán)開挖均為1.0 m。

3 不同施工工法下的二襯安全步距分析

采用不同的施工工法進(jìn)行隧道開挖可行性模擬分析，從二襯施工安全以及施工工作面足夠的雙重要求出發(fā)，以圍巖變形穩(wěn)定為施工安全穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，通過提取全斷面法、上下臺(tái)階法以及CD法工況下的巖土體變形數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出變形速度，綜合累積總位移以及變形速度判定得出二襯安全步距，綜合極限沉降與收斂位移、沉降與收斂速度等層面確定出二襯安全步距的最優(yōu)解。

3.1 基于極限拱頂沉降的二襯安全步距的確定

提取不同施工工法下進(jìn)口斷面的拱頂沉降值，通過雙擬合曲線進(jìn)行分析，據(jù)規(guī)范中關(guān)于二襯施工時(shí)間的相關(guān)規(guī)定，以沉降總位移變形的90%作為判定依據(jù)［9］，三種開挖方法的進(jìn)口斷面頂部沉降變化曲線見圖3。

對(duì)圖3不同施工工法下的隧道進(jìn)口斷面拱頂沉降的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）擬建隧道掘進(jìn)過程中，圍巖拱頂沉降均會(huì)經(jīng)歷急速變形、緩慢變形階段，最終變形接近于穩(wěn)定狀態(tài)。通過雙曲線對(duì)沉降模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求解得出全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況的極限拱頂沉降分別為13.0 mm、12 mm、11.9 mm，而數(shù)值模擬開挖完成后的累積位移分別為12.8 mm、11.8 mm、11.6 mm，分別占比98.5%、98.3%、97.5%，說明擬建隧道開挖完成后，進(jìn)口斷面位移數(shù)值已非常接近極限位移值。

（2）以預(yù)計(jì)極限沉降總位移變形的90%作為二襯施工安全步距的判定依據(jù)。當(dāng)全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況的累積拱頂沉降達(dá)11.7 mm、10.9 mm、10.7 mm，滿足極限沉降總位移變形的90%要求，對(duì)應(yīng)分析得出全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況下的二襯施工安全步距分別為16 m、20 m、21 m，以施工安全為主導(dǎo)，機(jī)械施工工作面為輔的要求，結(jié)合二襯施工安全步距進(jìn)行分析，確定出施工工法優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ忌舷屡_(tái)階法≈CD法。

3.2 基于極限周邊收斂的二襯安全步距的確定

將進(jìn)口斷面周邊收斂利用指數(shù)曲線進(jìn)行擬合分析，以極限周邊收斂變形的90%作為判定依據(jù)［10］，全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法工況下的進(jìn)口斷面周邊收斂變化曲線如圖4所示。

對(duì)圖4不同施工工法下的隧道進(jìn)口斷面周邊收斂變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得出下列結(jié)論：

（1）與拱頂沉降變形趨勢一致，周邊收斂有極速變形、緩慢變形及趨于穩(wěn)定三階段。借助指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合分析，得出全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況下極限周邊收斂分別為8.5 mm、8.2 mm、7.9 mm，模擬開挖結(jié)束后的周邊收斂累積數(shù)值分別達(dá)8.3 mm、8.1 mm、7.8 mm，分別占比97.6%、98.8%、98.7%，表明模擬開挖完成后的進(jìn)口斷面周邊收斂已接近于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）以預(yù)計(jì)極限周邊收斂的90%作為二襯安全步距的判定依據(jù)。處于全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等條件下的累積周邊收斂達(dá)7.6 mm、7.4 mm、7.2 mm，基本滿足極限沉降總位移變形的90%要求，對(duì)應(yīng)全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況下二襯施工安全步距均為18 m，從周邊收斂分析結(jié)果得知不同施工工法條件下的二襯施工安全步距取值相同，鑒于施工工作面要求，確定出施工工法優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ旧舷屡_(tái)階法＞ CD法。

3.3 基于沉降速度的二襯安全步距的確定

基于前文的隧道進(jìn)口斷面拱頂沉降擬合雙曲線，進(jìn)行一次求導(dǎo)得出沉降變形速度，可將規(guī)范中關(guān)于沉降變形速度的規(guī)定作為二襯安全步距的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將沉降速度＜0.07 mm/d（每天進(jìn)尺1 m）對(duì)應(yīng)的距離作為二襯施工安全步距［11］，則三種工法下的進(jìn)口斷面沉降速度變化曲線見圖5。

分析圖5中不同工況下的隧道進(jìn)口斷面圍巖沉降速度變化規(guī)律，分析得出以下觀點(diǎn)：

（1）進(jìn)口斷面巖土體沉降速度隨時(shí)間增大而逐漸減小，最終趨近于0。通過沉降雙曲線函數(shù)求導(dǎo)分析得出全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等條件下初始最大沉降速度分別為3.0 mm/d、2.7 mm/d、2.5 mm/d，開挖100 d后，各工況下的沉降速度均降至0.002 mm/d，說明模擬開挖完成后進(jìn)口斷面表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）以沉降速度0.07 mm/d作為二襯安全步距的判定依據(jù)。全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等模擬進(jìn)口斷面沉降速度于開挖18 d后均＜0.07 mm/d，由于每日循環(huán)進(jìn)尺1 m，因此可以判定18 m可以作為二襯施工安全步距，從沉降速度分析得出各工況下的二襯安全步距相同，在施工安全能確保前提下，考慮機(jī)械施工進(jìn)場要求，確定優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ旧舷屡_(tái)階法＞CD法。

3.4 基于收斂速度的二襯安全步距的確定

基于前文的隧道進(jìn)口斷面周邊收斂指數(shù)擬合曲線，進(jìn)行一次求導(dǎo)得出收斂速度，將規(guī)范中關(guān)于收斂變形速度的規(guī)定作為二襯安全步距的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將收斂速度＜0.1 mm/d（每天進(jìn)尺1 m）對(duì)應(yīng)距離作為二襯施工安全步距［12］，則三種工法下的進(jìn)口斷面收斂速度變化曲線如圖6所示，對(duì)比分析得出下列結(jié)論：

（1）隧道進(jìn)口斷面巖土體收斂速度變化趨勢與沉降速度變形一致，均表明隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。將收斂指數(shù)函數(shù)經(jīng)過一次求導(dǎo)分析得出全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等條件下的初始最大收斂速度分別為2.3 mm/d、2.4 mm/d、2.4 mm/d，特征斷面圍巖開挖100 d后的沉降速度均降至0.001 mm/d，可以判定隧道于施工階段處于穩(wěn)定。

（2）以收斂速度＜0.1 mm/d作為二襯安全步距的判定依據(jù)。全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等工況下的進(jìn)口斷面收斂速度在開挖12 d后＜0.1 mm/d，由此判定12 m可以作為二襯施工安全步距，從收斂速度層面確定在二襯安全步距相同、支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠滿足施工安全前提下，綜合機(jī)械施工要求，得出施工工法優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ旧舷屡_(tái)階法＞CD法。

4 結(jié)語

本文對(duì)某擬建軟巖公路隧道的施工工法可行性展開分析，建立全斷面法、上下臺(tái)階法及CD法等施工開挖數(shù)值模型，提取不同工況的拱頂沉降、周邊收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用雙曲線、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，通過一次求導(dǎo)得出沉降、收斂速度公式，據(jù)規(guī)范中變形位移以及變形速度的相關(guān)規(guī)定，綜合沉降、收斂位移以及沉降、收斂速度，分析確定出二襯安全步距且得出施工工法優(yōu)劣性排序，具體結(jié)論如下：

（1）全斷面法、臺(tái)階法及CD法的極限沉降分別為13.0 mm、12 mm、11.9 mm，隧道開挖完成后，特征斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)；以極限沉降位移的90%作為二襯安全步距依據(jù)，得出全斷面法、臺(tái)階法及CD法的二襯安全步距分別為16 m、20 m、21 m，綜合施工安全與工作面要求，確定優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ寂_(tái)階法≈CD法。

（2）全斷面法、臺(tái)階法及CD法的極限收斂分別為8.5 mm、8.2 mm、7.9 mm，模擬開挖完成后的進(jìn)口斷面收斂不再增長；以極限收斂的90%作為二襯安全步距判定依據(jù)，確定出全斷面法、臺(tái)階法及CD法的二襯安全步距均為18 m，二襯安全步距相同，考慮到支護(hù)已滿足施工安全性，為方面機(jī)械進(jìn)場，得出優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ九_(tái)階法＞CD法。

（3）全斷面法、臺(tái)階法及CD法等條件下最大沉降速度分別為3.0 mm/d、2.7 mm/d、2.5 mm/d，開挖100 d后各工況下的沉降速度降至0.002 mm/d；以沉降速度0.07 mm/d作為二襯安全步距依據(jù)，判定全斷面、臺(tái)階、CD法的二襯安全步距為18 m，綜合施工安全與工作面要求，確定優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ九_(tái)階法＞CD法。

（4）全斷面法、臺(tái)階法及CD法下的最大收斂速度分別為2.3 mm/d、2.4 mm/d、2.4 mm/d，特征斷面圍巖開挖100 d后的沉降速度均降至0.001 mm/d；以收斂速度＜0.1 mm/d作為二襯安全步距依據(jù)，全斷面法、臺(tái)階法、CD法的二襯安全步距均為12 m，支護(hù)滿足施工安全前提下，優(yōu)先機(jī)械施工要求，確定施工工法優(yōu)劣排序?yàn)槿珨嗝娣ǎ旧舷屡_(tái)階法＞CD法。

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