某大跨度山岭隧道掘进方案的优化分析

时间：2024-07-28

沈碧伟，胡根生

（浙江省交通投资集团有限公司，浙江杭州310020）

1 概述

在破碎围岩中修建大跨度隧道如何限制超欠挖量和保证开挖面的稳定性一直是业界研究的热点。工程类比和现场试验一直是解决这一难题的主要方法，许多学者也用数值模拟法对此进行了一些有益的探索。比如，模拟爆破开挖对围岩松动圈的影响[1]，爆破对隧道周边应力场分布特征的影响[2-3]，但是基于岩体中节理裂隙面的复杂性，定性研究成果居多，定量结果偏少。同时，大部分数值模拟只是对施工情况进行了规律总结，没有很好地反馈施工。

本文基于工程实践中遇到的困难，采用定性分析和数值模拟2种方法对开挖方案进行了比较分析，再结合现场试验，最后得出了比较理想的开挖方案，指导了掘进开挖全过程，同时获得了一些有用的结论。这一解决问题的过程和得出的结论可供同行酌情参考。

2 工程概况

本大跨度隧道位于新疆，主洞室总长259m（桩号为Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室开挖后设计净跨14.36m，高10.6m，埋深112.4～138.4m，轴线角度为北偏西72°。《地质勘察报告》显示整个隧道均处于Ⅳ级[4]围岩。主洞岩性为褐灰色中粗粒蚀变花岗岩，块状构造，具轻微糜棱岩化。节理裂隙发育，有明显1～12mm厚泥质物充填。岩石主要由云母、正长石、石英及暗色矿物组成。X共轭节理发育，第一主结构面产状310°～320°∠65°～75°，第二主结构面产状90°～100°∠5°～10°，致使基岩碎块多在5～200cm。第三主结构面与隧道轴线平行，产状198°∠37°。整个项目的工程地质状况变化很少。

3 初次方案定性分析

3.1 初次施工方案遇到的问题

项目部结合业主要求，为加快施工进度，同时预知前方工程地质详细情况，确保安全文明施工，采用中下导洞法，二次扩挖成全断面（见图1a）。该方法有如下优点：（1）下导洞为二次扩挖部分最大限度地创造了临空面，大大提高了爆破效果；（2）可有效减少二次扩挖部分的炮孔数量，节约了雷管、炸药，经济效果明显；（3）二次扩挖的岩渣不需要二次倒运，较台阶法施工更方便些，尤其在大断面隧道施工中，可以充分发挥大型机械作业的优势，能有效地加快施工进度。

根据钻爆法掘进原设计，详细施工工序如下：开挖中下导洞（6m×6m）→主洞一次性扩挖到设计开挖面→挖机排险、出渣→喷射混凝土→打设系统锚杆→编织钢筋网→喷射混凝土。

扩挖掘进中每一排炮均有掉块，小塌方不断，发生过多次中、大塌方，超欠挖非常严重。鉴于开挖后施作喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆的风险很大，工人不敢进场施工，项目部暂停施工解决问题。

3.2 问题定性分析

根据工程概况，第一主结构面倾向与隧道扩挖掘进方向基本一致，倾角为70°左右，岩层厚度为0.8m，岩层内部节理裂隙发育。前一排炮爆破掘进后，开挖面前方岩体内部的节理面在爆破振动下张开，再加上下导洞是一个临空面，岩体就会顺第一主结构面向下导洞滑动。因此中下导洞法有2方面缺点：（1）下导洞导致施工过程中掌子面凹凸不平（深浅距离约2m），施工实际布设炮孔偏离设计的要求，偏差很大，甚至存在部分掌子面上不能够打钻炮眼，进而导致在爆破以后岩块的块度不均匀，使得局部岩体破碎严重[8]；（2）掌子面凹凸不平导致炮眼的最小抵抗线方向变化多端，周边眼爆破过程中爆生气体和应力波作用方向不容易控制，光面爆破效果不佳，容易造成爆生裂隙，对围岩的损伤较重。

3.3 问题的初步措施

根据上述问题，项目部组织召开专家论证会，会议得出了如下意见：（1）为增加开挖面的稳定性，顶拱抬高0.8m；（2）加密周边眼的间距至0.4m；（3）采用4m长超前小导管注浆加固；（4）岩体节理裂隙非常发育，为增加施工过程的安全性，建议先编织钢筋网和喷射混凝土，后施作锚杆。更改后的施工工序如下：主洞一次性扩挖到设计开挖面→挖机排险、出渣→人工排险、第一次喷射混凝土→架立钢拱架→编织钢筋网→顶拱第二次喷射混凝土→打设系统锚杆和超前小导管→将系统锚杆和小导管与钢拱架焊接牢固→第三次喷射混凝土。

采取以上方案后，施作喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆过程中的安全度显著提高，但是扩挖后排险出渣的过程中，小塌方和掉块还是不断，平均线性超挖值达到了400mm。因此，本文通过定性分析和数值模拟2种方法，着重对中下导洞法的可行性进行研究。

4 开挖方案的数值模拟分析

4.1 模拟范围及参数

隧道轴线方向为y轴，水平垂直轴线方向为x轴，竖直方向为z轴，进行分析的范围为115m×120m。虽然从理论上讲，三维分析软件能全面准确模拟开挖的全过程，但是鉴于三维分析模型的围岩参数取值较困难，岩体众多节理建模较复杂，本文采用二维数值分析软件，数值模拟中不考虑走向与隧道轴线成大角度的第一、二主结构面，只考虑走向与轴线平行的第三主结构面。在数值模拟中考虑围岩全部节理裂隙不现实，本文假设围岩的性质是均匀的，同时不考虑爆破振动对围岩力学参数的影响，围岩的物理力学参数见表1。采用全长水泥砂浆粘结型锚杆支护，锚杆选用∅22mm螺纹钢筋，长3m，纵横间距为1.0m×1.0m；喷射混凝土的厚度为18cm；锚杆和喷射混凝土的物理力学参数见表2。为方便建模，只考虑与开挖面最近的第三主结构面，结构面的物理力学参数见表3。各开挖方案见图1。

表1 周边围岩物理力学参数[5-6]

围岩采用摩尔库伦模型、四边形单元，结构面采用接触单元，喷射混凝土采用梁单元，锚杆采用杆单元，真实模拟一个施工循环过程（导洞开挖→扩挖→打设锚杆+喷射混凝土→喷射混凝土硬化）。仅受自重场作用。统一建立几何模型，隧道开挖面、锚杆及开挖面附近的单元加密，自动生成四边形单元。中下导洞法计算模型见图2。

表2 锚杆和喷射混凝土物理力学参数

表3 结构面的物理力学参数[7]

4.2 计算结果

在计算结果中选择隧道周边塑性区分布情况来分析应力场。由于只考虑自重场的作用，故只选择顶拱开挖面垂直位移来查看隧道周围的变形情况。本文分别对中下导洞法、全断面法、左下导洞法、右下导洞法和上台阶法等的掘进支护施工全过程进行了计算，但是鉴于本文的研究重点是扩挖后开挖面的稳定性，在此只讨论扩挖后的围岩松动圈、开挖面变形和周边应力场的分布。

中下导洞法扩挖后最大主应力见图3，顶拱开挖面主应力最大值为0.05N/mm2；中下导洞法扩挖后垂向位移见图4，顶拱沉降最大值为26.6mm。限于篇幅，只罗列其他方案的计算结果，不列出图片，数值见表4。

图1 开挖方案简图

图2 中下导洞法单元划分

图3 中下导洞法第一主应力图（N/mm2）

4.3 结果分析

由图4可知，中下导洞法顶拱三角形区域（垂向位移大于1cm）的形状、尺寸与实际塌方体基本一致，因此可得出本文的参数取值能定性地反映开挖面的实际情况。从3方面考虑，开挖方案的优先顺序见表5。

图4 中下导洞法垂向位移（mm）

表4 各方案数值模拟结果

表5 开挖方案的优先顺序

顶拱第一主应力最大值均没有超过围岩的抗拉强度0.49MPa，围岩没有破坏，这与实际情况不符。这有2方面原因：一是数值模拟中物理参数的取值假设岩体是均匀的；二是爆破会造成节理裂隙的应力集中。因此，从第一主应力角度来看，造成开挖面应力过大的主要原因不是开挖方案而是爆破扰动，可以优先选用爆破扰动最小的全断面开挖方案。

5 方案选定

由表4和表5可知，首先排除各方面条件均不是最佳的中下导洞法和右下导洞法。虽然从数值计算结果来看，左下导洞法各方面指标都比较好，是一个可选方案，但是本文二维数值模拟只考虑第一主结构面，由本文第3.2节可知，采用下导洞法，第二主结构面对开挖面的稳定性影响也很大。因此，建议排除左下导洞法。

全断面法和上台阶法各方面指标均处于合理区间，第二、三主结构面对2方案的影响也不大，从施工便利性和经济合理性角度，首先选用全断面法，其次选用上台阶法。

本项目接下来停止开挖导洞，采用全断面法光面爆破掘进，施工工序与第3.3节基本一致，只是缺少了下导洞开挖这一道工序。虽然偶尔还有掉块，但是掌子面平整度（深浅距离约0.4m）和开挖面安全性显著提高，采用挖机排险后，顶拱不发生坍塌，平均线性超挖值已经小于150mm。接下来单方向掘进月进尺约70m，按计划完成了掘进支护工作。