分析大断面软弱围岩隧道开挖支护模拟

分析大断面软弱围岩隧道开挖支护模拟

孙显聪

浙江省隧道工程公司浙江丽水323000

摘要：软弱围岩隧道施工是隧道工程施工建设所关注的重要内容，本文结合工程实例，对大断面软弱围岩隧道开挖支护施工进行模拟分析，以通过对断面软弱围岩隧道开挖施工中围岩压力以及初期支护内力、隧道收敛等数值在不同施工阶段的变化分析，为有关工程施工建设实践和研究提供参考，促进我国隧道工程施工建设的发展进步。

关键词：大断面软弱围岩隧道开挖支护模拟

某铁路客运专线ZH-2隧道施工中，采用大断面单洞室双线结构，隧道全长约为1.5km，最大开挖断面宽度达16m，高度约为14m，是该铁路客运专线施工的重要工程段，由于该隧道施工地段的地质条件较为复杂，属于软弱围岩地质，地层含水量丰富，为弱风化花岗岩与裂隙沟槽发育地质，施工难度较大，对工程质量影响十分突出。下文将结合该铁路客运专线的大断面软弱围岩隧道开挖支护施工实际情况，通过对其隧道开挖支护施工的模拟分析，在掌握不同施工阶段的隧道开挖支护施工围岩压力以及初期支护内力、隧道收敛等数值变化基础上，为有关工程实践及研究提供参考，以推进我国隧道工程建设的发展提升。

1、大断面软弱围岩隧道开挖支护施工及其工艺分析

根据上述对某铁路客运专线隧道开挖支护施工情况的分析，在进行该大断面软弱围岩隧道的开挖支护施工，结合其地质条件与施工要求等，最终确定采用三台阶法进行隧道开挖与支护施工，即以三台阶弧形导坑开挖作为隧道施工的基础，在对各台阶核心土保留基础上实现开挖断面的稳定性提升，同时采用多个开挖面纵向流水作业开展，灵活进行作业工序转换，以确保隧道开挖施工的工作效率。在此基础上，通过预留临时仰拱以促进隧道开挖施工的推进，在“短进尺、弱爆破、快封闭、强支撑、勤测量”施工原则指导下，避免隧道开挖施工中坍塌的发生，以确保整个隧道开挖施工的进度和安全、质量等。如下图1所示，即为该大断面软弱围岩隧道开挖施工的工艺方法示意图。

（1）大断面软弱围岩隧道开挖施工横断面示意图

（2）大断面软弱围岩隧道开挖纵向示意图

（3）大断面软弱围岩隧道开挖平面图

图1

根据上图所示的隧道开挖施工工艺方案，在具体施工开展中，首先，对大断面软弱围岩隧道三台阶法开挖施工中各台阶设置，按照上台阶6m、中台阶5m、下台阶3.3m的高度标准进行开挖设计，并且对中台阶滞后弧形导坑的开挖大小设置为3至5m，下台阶开挖与中台阶相比滞后约3至5m，同时每次进行开挖的进尺和上台阶开挖进尺相同，在完成各台阶开挖推进后再进行隧道仰拱部分开挖施工，以确保整个大断面隧道开挖施工的顺利进行。其具体工艺流程如下：

首先，通过上一循环施工工序中设置建立的钢架制作形成隧道开挖施工中的Ф42小导管超前支护结构，对隧道开挖施工进行支护保护，同时对采用弱爆破技术进行隧道上导部开挖推进，对爆破部位通过人工与机械配合方式按照隧道开挖施工设计进行合理修整。此外，对该隧道开挖的Ⅱ部初期支护，采用4cm初喷混凝土+钢拱架方式，同时在钢拱架中设置锁脚钢管，并进行径向锚杆钻设后，布置一层钢筋网，在钢筋网上面复喷混凝土，厚度严格按照设计标准进行，完成后进行隧道仰拱部位开挖施工。

其次，在开挖施工至一定距离后，再进行上导部弱爆破处理并修整后，按照上述施工支护技术进行隧道开挖支护，以确保隧道开挖施工的安全顺利进行。

再次，对第三台阶的开挖施工，采用弱爆破技术进行隧道上导部爆破处理并进行修整后，采取与上述相同的开挖支护方式，对开挖隧道进行支护，然后进行开挖施工段隧道的仰拱灌筑施工，对该施工段内的隧道底部进行填充灌筑，并结合监测结果，在符合施工要求及标准的情况下，对临时仰拱进行拆除，在初期支护收敛稳定性，对相应的施工段仰拱部位拱墙的二次衬砌进行一次性灌筑完成。

2、大断面软弱围岩隧道开挖支护的模拟分析

根据上述对该铁路客运专线大断面软弱围岩隧道开挖支护施工的分析，为进行不同施工阶段的初支结构受力变化以及开挖隧道洞顶拱顶下沉、洞内收敛变化等分析，专门使用MI-DAS-GTS软件按照连续介质模型特征对其开挖支护施工进行模拟分析，其中，对隧道开挖支护施工中围岩以及二次衬砌等的模拟，全部按照平面应变有限元方法进行模拟分析，对隧道开挖的初期支护按照梁单元进行模拟分析。根据这一方法，对大断面软弱围岩隧道的开挖支护施工地质结构按照黏土、全风化花岗岩以及强风化花岗岩、弱风化花岗岩的土层结构进行分析，并且对不同结构的具体参数进行明确，确定该隧道施工地层地下水稳定水位在地面以下0.5m后，对隧道拱顶上覆盖土层厚度设定为30m，隧道底部按照2-3倍的隧道直径大小进行计算，隧道两侧则以4-5倍隧道直径大小计算，以进行相应的计算分析模型确定，如下图2所示，即为根据上述条件所确定的大断面软弱围岩隧道开挖支护施工计算模型。根据该模型，在假设计算边界位置处不受隧道开挖施工影响，为静止的原始应力状态，无变形情况的条件下，对大断面软弱围岩隧道开挖支护施工进行模拟，其模拟分析主要内容为三台阶法隧道开挖施工的初支结构受力与围岩变形变化情况，对此内容根据上述该大断面软弱围岩隧道开挖支护施工工艺流程，可以分为隧道开挖支护的初始地应力计算、上台阶开挖与支护、上台阶初支硬化，中台阶开挖与支护、中台阶初支硬化，下台阶与仰拱开挖、支护和下台阶与仰拱初支硬化等多个工况。

图2大断面软弱围岩隧道开挖支护施工的计算模型示意图

经对上述工况的模拟分析后，最终得出如下图3所示的大断面软弱围岩隧道开挖支护主要工况初支受力变化结果。根据该图可以看出在大断面软弱围岩隧道开挖支护施工中，上台阶施工对隧道拱顶下沉的影响最为显著，并且上台阶施工中以开挖施工的影响最明显；此外，中台阶施工在隧道洞室水平的相对收敛变化中影响最明显，中台阶施工中，又以开挖施工影响表现最大；最后，对该隧道开挖支护的典型工况模拟分析显示，各施工工况下隧道初支结构拱部受力相对较小，其中，以各施工阶段拱脚处的弯矩最大值变化最为明显，这一隧道开挖支护施工模拟分析结果，对该大断面软弱围岩隧道的开挖支护施工设计及实践具有非常重要的指导作用。

（1）

（2）

（3）

图3

3、结束语

总之，大断面软弱围岩隧道的开挖支护施工中，由于施工地质条件复杂，且施工难度大，通过合理的模拟分析，能够为隧道开挖支护施工提供可靠的依据和支持，从而促进大断面软弱围岩隧道开挖支护施工的顺利开展，具有十分积极的作用和意义。

参考文献：

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