大跨隧道穿越断层破碎带开挖工法优化分析

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉 430014）

一、引言

破碎的围岩属于隧道施工常见的不良地质之一，施工过程中易遇到大变形、坍塌等风险。节理裂隙发育和岩体破碎将导致隧道的不平衡受力，这会使隧道拱圈变形，甚至破坏隧道结构。由于节理裂隙发育、岩体破碎隧道支护结构所处的工程地质环境条件甚为复杂，导致围岩与支护结构相互共同作用机理较普通隧道更为复杂。目前，不同程度破碎围岩对隧道衬砌结构影响程度、不同开挖工法对围岩稳定性影响等问题均未得到有效解决。若采用施工工法不当，很有可能造成施工过程中的隧道塌方，对施工安全、质量、工期产生严重不利影响。

隧道坍塌形式主要表现在三种类型：掌子面的塌陷、掌子面前方土体顶部的坍塌及无支撑段拱顶坍塌。本文针对乌鲁木齐绕城高速葛家沟隧道ZK42+960～ZK43+570（Ⅳ级围岩）段的施工，对不同施工工法下未支护段拱顶塑性区分布情况和掌子面稳定性开展理论分析和数值模拟研究，以确定合适的施工参数。具体分析工况如表1所示。

二、基于未支护段拱顶稳定性的工法适用性分析

隧道拱顶围岩自稳性较强，但如果上台阶高度开挖过大，特别是在围岩较为破碎情况下，拱顶易发生垮塌。本文基于岩体块体理论，对拱顶岩体未支护条件下的极限范围进行分析，并计算上台阶高度限制，建立了有限计算模型进行分析。隧道拱顶节理块体稳定性进行分析公式为：，式中：l3为节理松动块体的宽度；l2和l1分别为节理面长度；c1和c2分别为节理面1和2的黏聚力；α和β分别为节理面1和2的倾角；γ为岩体重度。拱顶块体稳定性控制标准为：当Fs＞2时，块体不稳定；当Fs＜2时，块体稳定。

根据岩体块体理论，对拱顶岩体无支护条件下的极限范围进行分析，采用式1的经验公式计算得出上台阶高度的限值，分析时假定拱顶为对称破坏，即l1=l2。为分析未支护条件下拱顶岩体的稳定性，设定拱顶无支护角度范围为定值，通过调整块体的边长l1或l2来获得该无支护角度范围下的稳定性系数。拱顶无支护角度范围工况包括：60°、90°、120°、150°。

表1 支护部分、掌子面工况分析表

无支护角度区间下的稳定性系数统计值如表2所示，结合拱顶块体稳定性控制标准：当Fs＞2时块体失稳，Fs＜2时块体稳定。可以得出结论，在120°范围内是否有支护是拱顶岩体稳定关键性，相应的稳定性系数为2.05，根据隧道断面设计图可知，在120°无支护区间对应的上台阶高度为3.6m，上台阶高度应控制在3.6m以下，因此，采用三台阶法开挖。

表2 拱顶不同无支护范围下的岩体稳定性系数

表3 计算结果分析

为验证理论分析结果的准确性，建立了二维有限元模型。其中模型埋深为60m，岩体等效荷载作用，采用摩尔库伦模型分析岩体本构，计算参数：E=1GPa，c=200kPa，ψ=21°，采用台阶法开挖，假设上台阶高度为5m并且开挖矢跨比为0.405。

建立有限元模型，以左洞埋深最大的区域进行分析，分别对两台阶与三台阶开挖工法进行分析，确定合理施工参数。

开挖完成上台阶后，在未支护条件下，拱顶上部会出现较大的塑性区域，在不改变其他边界条件的情况下，假设上台阶高度为3.5m，开挖矢跨比为0.309，在开挖上台阶完成后，未进行支护状态，拱顶上部未发现塑性区，岩体自稳态势较好，施工措施得当，同时质量控制符合要求时，不会发生塌方状况。

如表3所示，理论与有限元仿真计算结果表明，为保证开挖进尺未支护段拱顶的稳定性，上台阶高度应确定在3.5m以下。据此应采用三台阶法开挖。

三、掌子面稳定性分析

由上节分析计算可知，掌子面开挖方法采用三台阶法（台阶高度3.5m）能保证未支护段拱顶岩体的稳定性，但是不能确定掌子面在开挖过程中是否会有较大的塑性区域变形，引发掌子面塌方连锁反应。在掌子面开挖过程中采用相同的辅助加固措施的情况下，结合现场情况并建立有限元模型，进行掌子面稳定性分析，主要有正三台阶开挖、三台阶开挖预留核心土两种工法。

正三台阶开挖步序如图1所示，根据施工时实际支护情况建立三维有限元模型如图2所示，岩土体参数及支护参数与上文相同。

图1 正三台阶开挖步序

图2 正三台阶锚喷支护

在掌子面出现了较大的塑性区域。将施工段地勘资料及岩体节理发育且岩层粘结性较差的实际情况结合分析，采用正三台阶法开挖发生较大范围的掌子面垮塌的风险较大。

表4 计算结果分析

施工中采用的辅助加固措施与正三台阶开挖模拟时设置的支护参数相同。

掌子面范围内只出现小部分的塑性区，岩体自稳态较好，在确保辅助支护措施施工到位的情况下，不会发生大范围塌方。

在葛家沟隧道施工过程中，对比分析了正三台阶法、三台阶预留核心土法两种开挖工艺，对采用不同开挖方法下采用15cm喷射混凝土封闭掌子面的效果同样进行了有限元模拟分析，计算分析结果如表4所示。

四、葛家沟隧道监测数据分析

根据已封闭成环的ZK43+350和ZK43+355段监测数据（见表5、表6），ZK43+350 最终水平收敛为2.16mm，拱顶沉降为5.1mm；ZK43+355最终水平收敛为1.82mm，拱顶沉降为5.69mm。隧道围岩变形较小，未出现掉块、塌方等现象，表明施工工法能够有效控制围岩变形，降低破碎围岩段塌方风险。

五、结语

针对葛家沟隧道大跨度破碎围岩段施工，采用理论分析、有限元数值模拟及现场监测验证等方法，通过围岩变形、塑性区等稳定性判据对施工工法及相关参数进行了综合分析比选，得出结论如下。

大跨度破碎围岩隧道施工易发生拱顶塌方，选择合理的上台阶高度和跨矢比对确保围岩稳定性具有重要意义。通过节理块体稳定性分析和有限元数值模拟，初步确定了三台阶法施工工法。

采用三台阶预留核心土法的工法，同时开挖后及时封闭掌子面，可以保证围岩掌子面开挖过程中产生较小的塑性变形，有效保证施工安全。

监测数据结果表明，采用上述理论分析及计算选取的工法及参数进行隧道施工，隧道围岩变形较小，未出现掉块、塌方等现象，表明施工工法能够有效控制围岩变形，降低破碎围岩段塌方风险。

表5 水平收敛

表6 拱顶沉降