基于特长隧道围岩稳定性分析的施工开挖方法

陈正清

（云南德孟高速公路投资开发有限公司工程处）

1 工程概况

本方法托于云南永德（链子桥）至耿马（勐简））高速公路帮福隧道机械化快速施工为研究基础，永勐高速公路帮福隧道是本项目控制性工程，隧道长达8.2 km，为超长公路隧道，拟采用大型机械化配套，全面实施机械化快速施工。主线按双向四车道高速公路标准建设，设计车速为80km/h，公路-I 级，设计使用年限为100a，隧道建筑限界净宽10.25m，净高5.0m；通过现场踏勘、专家咨询以及掌子面围岩稳定性初步判定目前帮福隧道施工现场已具备机械化施工的基本条件，隧道进口右洞，掌子面围岩为IV 级围岩，围岩较完整，稳定性较好，现场采用全断面开挖，作业空间大具备利用多臂凿岩台车进行钻爆施工的有利条件[2]。

2 隧道围岩稳定性分析

2.1 拟建数值模型

根据帮福隧道掌子面目前的IV 级围岩情况，建立三维数值模型，围岩及衬砌结构参数根据《公路隧道设计细则》JTG/T D70-2010 取值。通过数值模拟，分析掌子面的围岩稳定性、开挖进尺及管棚的支护效果等，数值模型如图1a 和图1b 所示。计算工况包括：IV 级围岩在未做超前支护条件下开挖进尺时的稳定性分析，IV级围岩施做管棚条件下的稳定性分析。

图1 三维数值模型

2.2 隧道围岩稳定性分析

1）初期支护受力状态

在进行隧道开挖时，分析初期支护受力及变形状态需要考虑两个阶段：①开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的受力状态，②下一进尺开挖后围岩的应力状态，以及开挖对初期支护的影响。

如图2a 和图2b 所示，开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为769 kPa。同时，最小主应力为6.60 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

如图3a 和图3b 所示为开挖完成后初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为1.27 MPa，位于隧道拱顶区域，存在局部受拉。同时，最小主应力为6.63 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

图2 刚施做初期支护时初期支护应力状态

图3 下一进尺开挖完成后初期支护应力状态

图4 开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变

图5 下一进尺开挖完成时围岩变形状态及等效塑性应变

图6 开挖完成后掌子面变形状态及等效塑性应变

图7 刚施做初期支护时初期支护应力状态

2）围岩变形状态及等效塑性应变

在进行隧道开挖时，分析围岩变形状态及等效塑性应变需要考虑两个阶段：①开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变，②下一进尺开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变。

如图4a 和图4b 所示为开挖完成后围岩的位移和等效塑性应变云图，由（a）可得隧道会发生不明显的拱顶沉降和底部隆起，最大竖向位移为0.99 mm。同时，隧道最大等效塑性应变为1.24×10-3，最大等效塑性应变出现在隧道两侧拱脚附近区域。总体来看，围岩位移较小，围岩的等效塑性应变较小。

如图5a 和图5b 所示为开挖完成后围岩的位移和等效塑性应变云图，由图5a可得隧道会发生不明显的拱顶沉降和底部隆起，最大竖向位移为1.36 mm；同时隧道最大等效塑性应变为1.36×10-3，最大等效塑性应变出现在隧道两侧拱腰区域。

3）掌子面变形状态及等效塑性应变

在进行隧道开挖时，分析掌子面的变形状态及等效塑性应变只考虑一个循环内开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变。

如图6a 和图6b 所示为开挖完成后掌子面的位移和等效塑性应变云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为1.33 mm，位于掌子面中间区域。同时，掌子面的最大等效塑性应变为6.14×10-4，等效塑性应变位于掌子面中下区域。

3 围岩开挖方法

3.1 全断面开挖（超前管棚）

1）初期支护受力状态

如图7a 和图7b 所示，开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力有828 kPa。同时，最小主应力为6.34 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

如图8a 和图8b 所示为下一进尺开挖完成后初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为814 kPa，位于隧道拱顶区域，存在局部受拉。同时，最小主应力为6.46 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

2）掌子面变形状态及等效塑性应变

在进行隧道开挖时，分析掌子面的变形状态及等效塑性应变只需要考虑开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变。

如图9a 和图9b 所示，开挖完成后掌子面的位移和等效塑性应变云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为0.73 mm，位于掌子面中间区域。同时，掌子面的最大等效塑性应变为2.96×10-4，等效塑性应变位于掌子面中间区域。

3）管棚变形状态及最大主应力分布

如图10a 和图10b 所示，开挖完成后管棚的位移和最大应力分布云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为0.72 mm，位于掌子面的前方的区域。同时，管棚的最大主应力为1.76 MPa，位于掌子面的正上方区域。

3.2 微台阶开挖（超前管棚）

1）初期支护受力及变形状态

如图11a 和图11b 所示，开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为1.25 MPa。同时，最小主应力为14.9 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

如图12a 和图12b 所示，下一进尺开挖完成后初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为1.25 MPa，位于隧道上台阶开挖后形成的拱脚区域，存在局部受拉。同时，最小主应力为14.9 MPa，位于隧道两侧拱脚区域。

2）掌子面变形状态及等效塑性应变

如图13a 和图13b 所示，开挖完成后掌子面的位移和等效塑性应变云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为7.31 mm，位于掌子面中间和上台阶区域。同时，掌子面的最大等效塑性应变为3.77×10-3，等效塑性应变位于掌子面上台阶开挖后形成的转角区域。

3）管棚变形状态及最大主应力分布

如图14a 和图14b 所示，开挖完成后管棚的位移和最大应力分布云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为4.39 mm，位于开挖面的上方区域。同时，管棚的最大主应力为34.67 MPa，位于管棚端部的搭接区域[3]。

4 结语

图8 下一进尺开挖完成后初期支护应力状态

图9 开挖完成后掌子面变形状态及等效塑性应变

图10 开挖完成后管棚变形状态及最大主应力分布云图

图11 刚施做初期支护时初期支护应力状态

图12 下一进尺开挖完成后初期支护应力状态

图13 开挖完成后掌子面变形状态及等效塑性应变

图14 开挖完成后管棚变形状态及最大主应力分布云图

综上所述，IV 围岩条件下拱脚区域容易出现局部应力集中，该区域的围岩会发生局部塑形变形，建议做好锁脚锚杆并注浆加固拱脚区域的围岩。此外，进行微台阶开挖时，围岩及初支在拱脚区域也容易出现较大应力和变形，建议加强锁脚锚杆的注浆设计，预防拱脚失稳。超前管棚可以有效控制围岩的变形，缩小围岩的塑形范围；同时IV 围岩段采用全段面机械化施工时，掌子面施工对于掌子面后方的影响的距离约为60m，超出影响的范围以外的段落，围岩基本能够趋于稳定，因此二次衬砌的支护时机可以施工组织方案确定合理的步距。