软岩大断面隧道安全施工步距数值模拟分析

秦 苛，张翰洋，蔡晓斌，翟盛君，曹 俊

（成都建工集团有限公司，四川 成都）

1 研究隧道概况及研究现状

文章所研究的隧道为越岭隧道，隧道工程道路等级为城市主干路，设计安全等级为一级，为双向8 车道分离式隧道，隧道最大埋深约189 m，左线起止里程为ZK20+935～ZK23+018，长2 083 m，右线起止里程为YK20+972～YK23+070，长2 098 m，总体走向呈东西向。隧道所穿越围岩级别大多为V 围岩，原设计开挖工法：V 级围岩采用双侧壁工法。

根据《公路工程施工安全技术规范》Ⅴ级及以上围岩：仰拱距最远端掌子面距离≤50 m，二衬距掌子面最远端距离≤70 m。首先按照施工工艺的要求，二衬和仰拱之间至少需要三版衬砌长度的施工作业面，用来存放仰拱、二衬钢筋以及摆置防水板台车，其次过近的安全步距极有可能导致前方掌子面爆破作业时损坏已完成工作面。因此有必要对施工安全步距进行合理调整，以满足施工工艺要求。

宋顺德[1]提出初期支护、二次衬砌与作业面的安全距离按制基本上取决于两个方面的因素：一是作业面爆破产生的飞石及冲击波对二次衬砌人员、机具、材料的损伤问题；二是隧道开挖后围岩及初期支护变形是否趋近于稳定的问题。李凯[2]通过查阅相关资料及行业现状调查情况后看，隧道施工安全步距现有规范适用性有限，特别是对于大断面四车道隧道。陈仁超[3]提出软弱围岩隧道施工可能会出现安全步距不符合规范要求，需结合自身工况进行安全可行性检验。杨文献[4]将石牙山隧道将二次衬砌距离掌子面距离按制在200 m，研究结论证明200 m 考虑了隧道施工中各工序平行流水作业所需的工作场地、安全距离,又为开挖后的围岩提供了变形收敛直至稳定的充足时间。郭鸿雁[5]指出目前关于传统钻爆法分步开挖的安全步距研究有所涉及，但缺乏Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下隧道机械化全断面施工安全按制步距的相关研究。黄维科[6]考虑机械操作性和施工安全性，针对龙昌隧道的仰拱距掌子面安全步距进行了动态优化。

2 隧道施工安全步距研究现状

根据以上研究结果，本研究将V 级围岩下仰拱距最远端掌子面距离由原方案50 m 调整为≤128 m，二衬距掌子面最远端距离由原方案≤70 m 调整为≤179 m。修改后的仰拱距最远端掌子面距离调整后大于规范要求；修改后的二衬距掌子面最远端距离满足《高速公路施工标准化技术指南》的小于200 m 要求，不满足《公路工程施工安全技术规范》Ⅴ级及以上围岩不得大于70 m 要求。

为确保施工步距修改后的安全性，本研究将借助FLAC3D 数值模拟软件分析了隧道变形，应力，安全系数，以验证安全性。

3 FLAC3D 数值模拟

3.1 评估分析假定

为了简化模型及减少评估量，且满足评估结论正确性要求，对模型的建立和分析评估提出了以下假设：

（1） 模型采用地层- 结构模型进行评估，选取大于评估结构对象的建模范围。

（2） 本次评估过程中简化机械及施工复杂性，考虑等效杀死单元进行模拟主体开挖、矿山法隧道施工的整个过程。

（3） 隧道结构及地层均采用实体单元进行模拟。

部分围岩参数见表1。

表1 部分围岩参数

3.2 评估模型建立

项目工程结构复杂，为准确分析并预测隧道施工的安全影响，并考虑隧道开挖的空间效应，因此采用有限差分评估软件FlAC3D 进行三维数值分析，建立三维有限元模型。土体采用摩尔- 库伦本构。该土体本构可模拟初次加载- 卸载- 再加载之间的刚度差别。考虑实际工程的复杂性、周边环境敏感性、数值计算精度、计算速度等，确定模型尺寸以及边界条件。基于本工程的实际情况，考虑隧道开挖对围岩影响，选择模型尺寸为100 m（X 方向）×100 m（Y 方向）×360 m（Z 方向），如图1 所示。

图1 双侧壁导坑法整体模型

在本次模拟计算中，X 方向对应水平方向，X 方向的相对位移可以判断隧道净空水平收敛情况；Y 方向对应隧道开挖方向；Z 方向对应竖直方向（即埋深方向），Z 方向位移正值表示隆起，负值表示沉降。模型X、Y 方向的左右、前后4 个边界采用水平约束的滑动支座边界条件，模型底面采用固定支座边界条件，模型上表面为自由边界。地应力场按自重应力场考虑。根据隧道开挖的全过程中各具体施工步骤，采用“激活- 钝化”的方式模拟隧道开挖全过程，最终对隧道结构及围岩的变形和受力做出合理的预测。

4 FLAC3D 数值结果分析

4.1 隧道拱顶变形

为探究V 级围岩中双侧壁导坑法原设计步距与变更步距下的隧道洞周变形影响，对隧道整个工序完成后的隧道洞周变形进行分析，其中竖向变形结果如图2- 图4 所示。

图2 原安全步距下隧道拱顶沉降变形曲线

图3 安全步距调整后隧道拱顶沉降变形曲线

图4 双侧壁导坑法安全步距调整前后隧道拱顶沉降变形曲线

根据《公路隧道设计规范（第一册土建工程）》，V级围岩极限位移取为150 mm。安全步距调整前后拱顶沉降对比如表2 所示。

表2 安全步距调整前后拱顶沉降对比

原安全步距拱顶沉降最大值为45.857 5 mm，小于按制值150 mm，满足安全范围；安全步距调整后拱顶沉降最大值为53.431 4 mm，小于按制值150 mm，满足安全范围。安全步距调整后，拱顶沉降最大值的变化率仅增大了16.52%。

从拱顶沉降变化曲线可以看出，随着开挖的进行，开挖进尺0～25 m，拱顶沉降减小，开挖进尺25～200 m，拱顶沉降基本保持不变，开挖进尺200～275 m，拱顶沉降急剧减小。

4.2 隧道水平变形

原安全步距下隧道水平变形曲线如图5 所示。安全步距调整后隧道水平变形曲线如图6 所示。

图5 原安全步距下隧道水平变形曲线

图6 安全步距调整后隧道水平变形曲线

安全步距调整前后隧道水平变形对比如表3 所示。

表3 安全步距调整前后隧道水平变形对比

原安全步距下隧道水平收敛最大值为13.496 2 mm，小于按制值150 mm，满足安全范围；变更设计步距水平收敛最大值为31.887 1mm，小于按制值150 mm，满足安全范围。安全步距调整后，水平收敛最大值的变化率为增大了136.27%。

从水平收敛变化曲线可以看出，随着开挖的进行，开挖进尺0～25 m，边墙水平变形增大，开挖进尺25～175 m，水平变形基本保持不变，开挖进尺175～200 m，水平变形增大，开挖进尺200～275 m，水平变形急剧减小。

4.3 隧道结构应力

本研究利用FLAC3D 数值模拟软件，按照隧道开挖施工工序，对安全步距调整前后结构应力进行模拟计算，结果如表4 所示。

表4 双侧壁导坑法隧道结构应力

从表4 中所列模拟计算结果可以看出，原安全步距下隧道初支的最大主应力值为0.510 21 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主应力值为7.333 7 MPa，小于按制值13.5 MPa，均满足安全强度；原安全步距下二衬的最大主应力值为0.447 53 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主应力值为6.729 6 MPa，小于按制值21.5 MPa，均满足安全强度。

安全步距调整后隧道初支的最大主应力值为0.794 98 MPa，小于按制值1.27 MPa，最小主应力值为9.147 1 MPa，小于按制值13.5 MPa，均满足安全强度；安全步距调整后隧道二衬最大主应力值为0.559 35 MPa，小于按制值1.71 MPa，最小主应力值为8.835 8 MPa，小于按制值21.5 MPa，均满足安全强度。

结束语

本研究利用FLAC3D 数值模拟软件对软弱围岩隧道（V 级）施工安全步距调整前后进行了变形和应力分析，结果表明，安全步距的调整对隧道主体结构安全影响程度不大，各项模拟计算结果依然满足规范限值要求。模拟计算结果对该类隧道降低施工安全步距管按要求提供了理论支持，有利于施工现场各项工序的合理衔接。

该种围岩状况下，拱顶和拱腰掉块风险较大。必须严格按照设计方案实施超前小导管注浆，加强导管注浆管理，并结合地下水情况，合理引排，必要时，可采用超前支护与围岩初喷相结合的方式，保证掌子面作业安全。