軟弱圍巖隧道臺階法開挖要素優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國交通基礎建設發(fā)展，近年來需要穿越復雜地質(zhì)條件的隧道不斷增加，如何快速、安全、經(jīng)濟的修建隧道工程，尤其是在軟弱圍巖地質(zhì)條件下的深埋隧道工程，是當前該領域科技工作者關心的熱點問題，其中臺階法是當前隧道開挖施工技術中應用最廣泛的方法。但由于隧道工程建設地質(zhì)條件的多樣性與復雜性，目前我國《公路隧道施工技術規(guī)范》等規(guī)范僅對開挖要素粗略的規(guī)定：“臺階長度不宜超過隧道寬度的1.5倍，且臺階不宜多分層，上臺階高度宜為2.5m”。這造成了目前軟弱

2、圍巖隧道開挖施工方案主要由技術人員依賴經(jīng)驗與工程類比來制定，迫切需要對臺階法開挖施工參數(shù)進行細化分析優(yōu)化研究。本文結合宜巴高速公路某軟弱圍巖隧道開挖工程，分析并提出了影響臺階法開挖變形穩(wěn)定的主要開挖技術要素；提出了有別于傳統(tǒng)的單一用洞周變形判定圍巖開挖穩(wěn)定的判別標準，采用洞周變形、掌子面擠出變形和支護結構受力三因素判定指標；建立了軟弱圍巖隧道臺階法開挖要素優(yōu)化研究的計算力學模型；采用FLAC3D三維有限差分法開展隧道施工全過程模擬，對臺

3、階高度、臺階長度、開挖進尺及支護閉合時機等開挖技術要素展開系統(tǒng)分析，獲得了如下研究結論：
　　1）在系統(tǒng)總結軟弱圍巖隧道開挖變形特征及影響因素基礎上，對臺階法開挖技術要素展開了全面分析，認為臺階高度、臺階長度、開挖進尺和支護閉合時機是影響隧道開挖變形的主要影響因素。
　　2）針對傳統(tǒng)上采用洞周變形來判定圍巖開挖穩(wěn)定的單一判別標準的現(xiàn)狀，通過系統(tǒng)總結軟弱圍巖隧道開挖變形特點及分析隧道開挖過程出現(xiàn)的工程事故，認為宜采用洞周變形、

4、掌子面擠出變形和支護結構受力三因素作為隧道開挖變形控制的綜合判定指標。
　　3）建立了軟弱圍巖開挖要素優(yōu)化研究的計算力學模型，在埋深方面，認為深埋軟弱圍巖是最危險工況；在圍巖分類方面，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ類圍巖是最危險三類圍巖；對此，建立了分別以Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三類深埋圍巖為研究對象的劣化連續(xù)介質(zhì)彈塑性計算力學模型，并認為此類計算模型是軟弱圍巖計算中的最危險工況，特定的裂隙巖體，不在本文研究之列。
　　4）FLAC3D三維有限差分法隧道施工

5、全過程模擬研究表明：臺階高度對洞周變形、掌子面擠出變形有顯著影響，洞周變形、掌子面擠出變形與臺階高度呈正相關關系，與圍巖強度呈現(xiàn)負相關關系；臺階高度增加，有利于發(fā)揮洞周圍巖成拱效應，改善支護結構受力狀態(tài)；建議 IV級圍巖上臺階扁平率設為0.5~0.6，V級臺階扁平率設為0.4~0.5，VI圍臺階扁平率設為0.3左右為宜，若采取有效輔助施工措施，可合理增大。
　　臺階長度對洞周變形控制至關重要，洞周各部位變形終值基本與臺階長度呈正相

6、關關系；臺階長度對掌子面擠出變形的影響在不同軟弱圍巖中有明顯區(qū)別；臺階長度增長可有效改善支護結構受力狀態(tài)；建議 IV圍巖臺階長度設為1.2D~1.5D，V圍巖臺階長度設為0.9D左右為宜，VI圍巖臺階長度設為0.3D~0.6D，并采取適當?shù)妮o助施工措施，保持圍巖和支護結構穩(wěn)定。
　　開挖進尺與洞周先行變形呈負相關關系，與變形終值呈正相關關系；開挖進尺對掌子面擠出變形的影響因圍巖軟弱程度不同有顯著差異；開挖進尺增大可有效改善支護結構

7、受力狀態(tài)；建議IV圍巖循環(huán)開挖進尺設在2.5~3.0m，V圍巖循環(huán)開挖進尺設在1.5~2.0m，VI圍巖循環(huán)開挖進尺設在1.0m左右。
　　開挖技術要素中，支護閉合時機對洞周圍巖穩(wěn)定的影響最顯著；隧道支護閉合時機越早，變形收斂時機越早，對洞周圍巖變形控制越有利；掌子面擠出變形與支護閉合時機呈正相關關系；支護閉合時機在不同軟弱圍巖中對支護結構受力影響有顯著差別；建議 IV圍巖支護閉合距離控制在3.0D以內(nèi)，V圍巖支護閉合距離控制在2

8、.5D以內(nèi)，VI圍巖支護閉合距離不超過1.5D為宜。
　　5）以宜巴高速某軟弱圍巖隧道工程實例，分別采用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)控量測手段，研究認為該隧道技術人員依靠經(jīng)驗選取的開挖施工設計參數(shù)較合理，均在本論文建議的結論范圍之內(nèi)，該隧道開挖變形得到有效的控制也驗證了本論文建議參數(shù)區(qū)間的合理性，但其臺階長度和循環(huán)開挖進尺設計相對保守，適當延長臺階長度、增大循環(huán)開挖進尺，有利于機械化作業(yè)，加快施工進度。
　　軟弱圍巖隧道施工條件非常復雜