双隧道开挖进尺对其掌子面稳定现场监测和数值分析——以安石隧道为例

杨 曦，赵智辉，刘跃成，周 创，康跃明，范明外

(1.云南航天工程物探检测股份有限公司，昆明 650217；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400039；3.云南交投集团投资有限公司，云南 云县 675800)

近几年，随着隧道开挖工程深度的加大，隧道围岩的稳定，特别是隧道掌子面的稳定，对隧道开挖工程的安全进行起到重要作用[1-5]。在开挖过程中开挖进尺对其掌子面围岩的稳定起到决定性作用之一[6-9]。因此，如何简单有效地确定隧道开挖进尺是隧道工程中亟待解决的问题之一[9]。

目前，针对隧道开挖后掌子面稳定研究的理论较为成熟，部分学者基于数值模拟、试验手段等方法对其进行了相关研究。但对其开挖进尺对其稳定性的影响研究较少。Senent等[10]，计算了Hoek-Brown非线性破坏准则表征的裂隙岩体中隧道掌子面坍塌压力并且采用数值3D有限差分程序识别出沿破坏面法向应力分布的足够近似。Shao等[11]提出了一种基于工作室内压力场面几何特征的EPB隧道掌子面稳定性分析新的数值方法，可实时分析掌子面前方地面主动和被动土压力的变化情况。该机制为确保EPB隧道施工安全和自动控制提供了依据。Zou等[12]提出了基于极限分析方法的改进三维旋转破坏模型和基于极限平衡方法的改进楔棱柱模型并且评估了几何、岩土参数和加载条件对隧道掌子面稳定性的影响。王俊等[13]、王志杰等[14]采用极限平衡法分析了维持稳定的最小极限支护压力，计算得到的极限支护压力随着摩擦角的增大呈非线性减小，随着黏聚力的增大呈线性减小，随着埋深与隧道直径的比值减小。安永林等[15]、贺祚等[16]应用有限元模拟和强度折减相结合的方法,得出安全厚度随抗压强度、抗拉强度和抗渗系数增大而减小，随岩溶水压力、隧道开挖高度和开挖宽度增大而增大。黄俊等[17-20]通过分析影响掌子面稳定性的主要因素提出掌子面稳定安全系数关于材料强度参数与施工条件参数的隐函数。上述研究中未对于掌子面进尺对掌子面围岩稳定研究，在实际隧道开挖中不仅要考虑地质环境等条件,还要考虑开挖进尺对其的影响。

因此，基于现场试验和数值模拟研究开挖进尺对掌子面前后方围岩的变形影响规律，提出红线开挖进尺的确定方法和现场实际开挖进尺的确定准则，并与实测数据进行对比分析；讨论了施工过程中掌子面前方岩层存在的挤出现象。

1 工程概况

在建云县至凤庆高速公路的安石隧道位于凤庆县凤山镇安石村-勐佑镇中河村，为分离式特长隧道，在建隧道呈曲线形展布，隧道最大埋深约453.11 m。

隧道围岩为前奥陶系石英片岩、绢云母石英片岩、云母片岩，见呈互层状或渐变过度赋存，属较软岩。岩体破碎呈碎裂状结构，岩石矿物定向排列，片理发育，受构造挤压作用明显。岩层产状倾向140°～150°，倾角30°～50°，部分芯样照片如图1所示。

图1 部分芯样照片

2 监测试验

2.1 现场试验确定

对隧洞拱顶下沉量及下沉速度、边墙水平收敛量及收敛速度进行观测，为判断开挖进尺对围岩的稳定性、支护的强度的影响程度提供依据。拱顶下沉和隧道周边净空收敛都采用全站仪进行监测，测点布设示意图和现场监测如图2所示。

图2 现场监测试验图

2.2 拱顶沉降监测结果分析

如图3(a)和图3(b)所示，分别对应现场掌子面日开挖进尺3 m和2 m工况下拱顶沉降值。可看出日开挖进尺3 m工况下拱顶累计沉降值和增长速率大于日开挖进尺2 m工况下拱顶累计沉降值和增长速率。从图中还可看出，开挖进尺越大，对其掌子面后方围岩稳定越不利，让其从开挖后应力释放造成的不稳定状态到二次平衡后的稳定状态所需要的时间更长，开挖造成的扰动作用更大。因此在施工过程中，要时刻根据现场岩层条件和施工工艺等来合理选取开挖进尺大小，以保证隧道工程的安全施工。

图3 拱顶沉降监测结果

2.3 净空收敛监测结果分析

如图4(a)和图4(b)所示，分别对应现场掌子面日开挖进尺3 m和2 m工况下对应的净空收敛值。可看出日开挖进尺3 m工况下净空收敛值和增长速率大于日开挖进尺2 m工况下净空收敛值和增长速率，近似大于3倍值。从图中还可看出，开挖进尺越大，对其掌子面后方围岩拱腰影响程度要远大于对其围岩拱顶部位，分析其原因，主要是因为拱效应的存在，造成对隧道拱顶上部影响程度要小于拱腰。

图4 净空收敛监测结果

3 岩体变形分析

3.1 掌子面坍塌和变形分析

造成掌子面坍塌原因主要分为两大类，一类为掌子面地质条件复杂，一类为施工扰动造成掌子面围岩不稳定。地质条件的复杂主要包括地层岩性条件较差，如岩层抗侧压系数较低、岩层较为破碎、岩层为遇水软化岩石等情况；另一类为地质构造复杂，例如掌子面前方为断层且倾角较大以及水文条件复杂，裂隙水和孔隙水含量丰富且很容易得到补充。施工扰动往往也是造成掌子面坍塌主要原因之一。在施工过程中，若采用爆破开挖，则需考虑爆破造成岩层的松动以及破裂影响，若开挖进尺过大必然要求药量加大，对掌子面前后方围岩造成过大的扰动，影响其稳定性，造成掌子面前后方围岩松动，造成坍塌施工发生。

3.2 掌子面变形分析

根据FLAC3D模拟在开挖进尺1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 m等工况下，掌子面前后岩层变形情况。本次数值模拟按照现场实际施工顺序来进行计算，开挖方式采用上下台阶开挖，先开挖后初衬最后进行二衬支护顺序进行。

为了更好地展示开挖后掌子面变形情况，采用掌子面变形放大200倍方式，如图5所示。从图中可以看出隧道岩层开挖完成后，掌子面向前突出变形，且变形最大位置靠近掌子面中心位置。从图6中可以看出，掌子面的岩层变形基本上随开挖进尺距离的增加而增加，且增长速率明显分两个阶段，增长阶段和快速增长阶段。笔者把此转折点称为红线开挖进尺，对应图中的开挖进尺4 m。

图5 开挖进尺和变形量三维图

从开挖进尺和变形量图6中可以发现，后开挖隧道掌子面变形值大于先开挖隧道。分析其中的原因是在实际的开挖过程中随着先开挖隧道的施工,对其后开挖隧道围岩造成扰动，使其造成掌子面变形值加大。后开挖施工隧道在施工过程中对周围土体扰动较大，造成的原因是先施工隧道对其岩层的扰动造成岩层裂隙增多，孔隙水释放造成空隙水压降低，围岩的自稳压力降低，但其后施工隧道水危害降低。

图6 开挖进尺和变形量

3.3 掌子面前方岩体变形

从到掌子面距离与变形量图7中可以看出，掌子面前方岩层变形值随到掌子面距离的增加而减少。造成这种现象的原因的是岩层与岩层间存在阻力，对其岩层向掌子面方向变形起到了阻碍作用，距离掌子面的距离越大，对其造成的阻力值越大，从而发生的变形值越小。

图7 到掌子面距离与变形量

通过以上分析，采用开挖进尺2 m最为安全，安全系数为0.5，在保证的开挖进度的情况下，也防止了掌子面坍塌事故的发生，保证了现场安全施工。

4 结论

1)隧道岩层开挖完成后，掌子面向前突出变形，且变形最大位置靠近掌子面中心位置。因此，在掌子面开挖施工过程中，要重点观测掌子面中心变形，防止灾害发生。

2)掌子面的岩层变形基本上随开挖进尺距离的增加而增加，且增长速率明显分两个阶段，增长阶段和快速增长阶段。笔者把此转折点称为红线开挖进尺。因此在计算掌子面变形值时应重点确定此转折点，把此转折点作为开挖进尺红线。

3)掌子面前方岩层变形值随到掌子面距离的增加而减少。造成这种现象的原因的是岩层与岩层间存在阻力，对其岩层向掌子面方向变形起到了阻碍作用。

4)通过现场对掌子面后方岩层的变化量进行监测，通过此观测值来指导现场施工，对其保证安全起到了重要作用。

5)通过以上分析，采用开挖进尺2 m最为安全，安全系数为0.5，在保证的开挖进度的情况下，也防止了掌子面坍塌事故的发生，保证了现场安全施工。对今后的隧道开挖工程开挖进尺方案的确定有一定的指导意义。