留核心土法开挖隧道拱顶的下沉规律分析

赖春华

（赣州诚正公路工程监理有限公司，江西 赣州 341000）

0 引言

软弱围岩具有软、弱、松、散等低强度特性，受开挖扰动，围岩变形量大、变形速度快。在膨胀土、破碎带等软弱围岩中施工，确保掌子面的稳定性至关重要。掌子面的稳定性一方面跟埋深息息相关，另一方面也跟开挖方法密不可分。

留核心土法能有效地稳定掌子面，并具有以下优势：

（1）施工空间大，方便机械化施工，对于软弱围岩可以利用挖掘机开挖，工效高；

（2）施工灵活，当围岩条件发生变化时，能够快速地调整施工方法与施工工序；

（3）对不同跨度及不同断面形式的适应能力强。

1 工程背景

某隧道主线为双向四车道隧道，匝道为单向单车道隧道。主线设计车速为100km/h，车道宽度为3.5m+3.5m。隧道区域断层破碎带主要分布于ZK11～ZK14钻孔地段，结合区域地质资料分析，该破碎带宽约40m。受该破碎带影响，其东西两侧岩体破碎，风化强烈，全风化板岩结构为松疏的砂土状、角砾状、碎裂状。岩芯多为岩屑、岩粉、碎石状，少量的块状、短柱状。破碎带区域采用弧形导坑留核心土法开挖。图1为施工断面示意图。

图1 隧道开挖断面示意图

上弧形导坑采用人工钻孔弱爆破法开挖，随后进行拱部初期支护。中洞核心采用人工配合反铲挖掘机台阶法开挖。先施作中洞拱部小导管预注浆超前支护，然后开挖中洞拱部核心土，再开挖下部中洞核心土。中洞拱部核心土开挖后，喷射4cm混凝土封闭围岩，然后架设拱部钢拱架，拱部钢拱架与双侧壁导坑边墙钢架一一对应，紧密相连，然后打锚杆、挂网、再复喷混凝土至8cm。每循环进尺1m。

2 有限元计算

隧道埋深20m。考虑到模型几何及受力关于隧道中线对称，建立1/2有限元模型。模型长40m、宽100m、高70m，共33 560个六面体单元，47 273个网格节点。其中隧道结构部分如图2所示。计算中，核心土高2.5m、长3m，开挖进尺取1m，加固圈厚1.5m，二衬厚0.5m，初衬厚0.2m，短台阶取12m。模型左、右、前、后边界为铰接约束，下边界为固结约束。围岩级别为Ⅴ级，力学参数按照《公路隧道设计规范》取值。材料属性如表1所示。

图2 隧道结构有限元模型

表1 有限元计算材料属性

3 结果分析

有限元计算结果与现场监测数据的对比如图3所示。

图3 隧道拱顶沉降计算值与实测值的比较

由图3可以看出，拱顶下沉计算值与实测值较吻合，但由于现场监测是开挖一段时间之后开始的，实测初始值较小。拱顶下沉曲线大致可分为三个阶段：

（1）第一阶段：当掌子面推进到0～0.5D时，由于开挖掌子面受力状态由三向变为两向，按照计算值，第一个进尺下沉约10mm，第二个进尺下沉约20mm，第三个进尺下沉约10mm，第四个进尺下沉约5mm，下沉速度有减小的趋势；

（2）第二阶段：当掌子面推进到0.5～1D时，随着初期衬砌施作及围岩加固，围岩位移得到抑制，拱顶下沉速度明显减缓，每个进尺拱顶下沉量在1mm左右；

（3）第三阶段：当掌子面推进到1～2D时，随着仰拱及二衬的陆续施作，隧道断面封闭成环，受力性能得到很大改善，洞顶下沉速度趋向于零。

4 结语

如何既快又好地在软弱围岩中开挖隧道是工程界面临的重大课题之一。拱顶沉降是反映掌子面稳定的关键指标，本文通过数值模拟分析了留核心土法开挖拱顶沉降随掌子面推进的变化规律，并将计算结果与现场监测数据进行了对比，两者规律基本一致，说明计算结果正确可信，可为相关工程的设计与施工提供借鉴。

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