破碎围岩条件下大断面隧道转换施工优化方法研究

摘要：由于大断面隧道结构稳定性差，因此对转换施工方法的要求极高。文章为有效提高大断面隧道施工质量，确保施工安全性，研究破碎围岩条件下大断面隧道转换施工优化方法。通过双侧壁导坑法开挖Ⅴ级破碎围岩，采用交叉中隔壁法开挖Ⅳ级破碎围岩，在两个围岩等级交界处转换工法，分析开挖进尺与钢拱架间距对破碎围岩变形的影响，并优化施工参数。结果表明：开挖进尺越大，隧道衬砌变形幅度越大;为确保围岩变形最小，埋深<250 m时开挖进尺宜选取1 m，埋深>350 m时开挖进尺宜选取2 m;钢拱架间距与其最大拉应力值成正比，钢拱架间距为0.5～0.9 m时，施工安全性最好，能够有效提高大断面隧道施工质量。

关键词：破碎围岩;大断面隧道;转换施工;优化方法;双侧壁导坑法;交叉中隔壁法

中图分类号：U455.4

0 引言

破碎围岩条件下，围岩变形情况较为复杂，加剧了大断面隧道施工的难度，同时这种条件下对于大断面隧道施工要求也较高。若施工参数不规范，会导致隧道施工存在风险[1]，甚至出现坍塌现象。为确保施工工期不延后，且保证施工质量[2]，需针对围岩等级的不同，设计不同的施工工法。在转换施工工法时，若转换时间不合理，也会提升施工难度，导致危险事件发生[3]。

梁广山等[4]为加快施工速度，研究隧道施工工法转换方法，缩短工期，但该方法并未考虑围岩条件，且施工参数不规范，降低了施工安全性。唐喜奎[5]为提升隧道施工安全，研究转换施工方法，充分考虑地质因素，降低隧道施工风险，但该方法没有考虑施工参数对围岩变形的影响，施工参数规范性差，会延误施工工期。

为确保施工安全且加快施工进度，综合考虑地质因素与施工参数对围岩变形的影响，本文研究破碎条件下大断面隧道转换施工优化方法，分析合理的工法转换时间，获取最优施工参数，确保施工安全。

1 工程概况

本文以某省铁路客运专线为研究对象，该线路的长度为360 km，线路等级是客运专线，行驶速度为251 km/h。该条线路施工完成后，能够带动该地区的旅游发展[6]。该条客运专线中某隧道长度是4 933.46 m，隧道沿线地形比较陡峭，最大高度差为410 m。该隧道围岩的力学性质稳定性较差，施工难度较大。

该隧道经过的破碎围岩为炭质千枚岩，中间包含少量板岩。破碎围岩颜色主要是深灰与灰黑色。洞口段破碎围岩等级为Ⅴ级，厚度为0.5～11.8 m，起止桩号是SG2+090～SG2+193;邻近的破碎围岩等级为Ⅳ级，稳定性高于Ⅴ级围岩，起止桩号为SG2+193～SG2+363。岩体整体呈褶皱发育，节理将薄岩层分割为破碎状，破碎程度较高。因為隧道沿线属于破碎围岩，施工时易出现变形，所以需要分析地质因素与力学规律，研究大断面隧道转换施工优化方法，降低施工风险。

2 方法和材料

2.1 大断面隧道转换施工方法

要充分分析开挖进尺与侧压力系数等对破碎围岩变形的影响，并参考地质因素与隧道设计规范，研究破碎围岩时大断面隧道转换施工优化方法，提升施工安全性[7]。Ⅴ级破碎围岩通过双侧壁导坑法进行施工，记作工法1;Ⅳ级破碎围岩通过CRD（交叉中隔壁）法进行施工，记作工法2。Ⅴ级破碎围岩至Ⅳ级破碎围岩连接处（SG2+189至SG+203），需要转换施工工法，由工法1转换至工法2。具体转换施工步骤如下：

步骤1：围岩等级Ⅴ级时，采用工法1展开施工，不断扩展隧道两侧导洞的掌子面开挖面积，令左右两侧的初期支护同时移向隧道中线，导致左右两侧导坑初期仰拱不断变大，中间导坑初期仰拱不断变小。

步骤2：在左右初期支护彼此搭接情况下，结束移动。

步骤3：拿走右侧支护，保留左侧支护，将工法1中保留的左侧支护转换为工法2中的中间初期支护，实现施工工法转换。

转换施工工法的条件是确保两个工法的起拱线高度相同，通过调整垂直方向的初期支护高度控制起拱线高度[8]。工法1与工法2垂直方向支护线形相反，在转换过程中，需改变工法2的支护线形，令其与工法1的支护线形不断接近，保证转换过程中每部分垂直方向尺寸过渡的不间断性。

2.2 计算方法

通过有限差分软件FLAC 3D分析大断面隧道转换施工优化方法的影响因素，对转换施工过程中的参数进行优化，影响因素包含开挖进尺与侧压力系数等。隧道开挖影响区域属于洞径的4～6倍，按照地质因素与转换施工工法，简化计算模型，获取该模型的横向长度为90 m，隧道轴线方向长度为40 m，纵向长度为埋深。模型各方向边界约束为法向约束。

在求解钢拱架与喷洒混凝土承受的轴力与弯矩过程中，令喷洒混凝土是h，钢拱架是g，截面面积是Z，支护承担的总轴力与总弯矩为：

式中：P——截面总轴力（kN）;

[KG8.2mm]Q——总弯矩（kN·m）;

[KG7.4mm]W——弹性模量（MPa）。

2.3 计算参数

破碎围岩力学参数如表1所示。

2.4 支护模拟

在转换施工工法中，先开挖再支护施工。以梅花桩方式安装锚杆，钢拱架间距是1 m，前期喷洒混凝土厚度是0.27 m，断面间距是0.9 m。按照FLAC 3D软件模拟锚杆M、钢拱架G、喷洒混凝土T，各材料物理力学参数如表2所示。

2.5 开挖模拟

利用FLAC 3D软件计算分析开挖进尺分别为1 m、2 m、3 m与4 m时的隧道衬砌变形情况，确定较优开挖进尺，再获取不同埋深时的最优开挖进尺，最后获取最优侧压力系数与最佳钢拱架间距，完成施工参数优化。

3 优化结果分析

3.1 开挖进尺优化分析

利用FLAC 3D软件计算分析不同开挖进尺时隧道衬砌的变形情况，以埋深为150 m、隧道开挖里程为10 m为例，不同开挖进尺时隧道衬砌变形情况如表3所示。

分析表3可知，开挖进尺越大，拱顶沉降量越多，开挖进尺为1～3 m时，沉降量相差较小，开挖进尺为4 m时，沉降量明显增多。开挖进尺不同，隧道的结构内力也出现改变，开挖进尺越大，拱顶与拱肩的轴力均不断降低，弯矩不断提升，导致结构的安全性越来越差，开挖进尺为1～3 m时，两个监测点的轴力、弯矩差距不大，在开挖进尺为4 m时，轴力下降幅度与弯矩提升幅度均较大。综合分析可知，开挖进尺为1～3 m时，隧道衬砌变形幅度较小，因此，在破碎围岩条件下，大断面隧道转换施工工法优化后的开挖进尺宜选择1～3 m。

利用FLAC 3D软件计算分析开挖进尺为1～3 m时，埋深分别为150 m、250 m、350 m、450 m时的围岩变形情况，为不同埋深情况选取最优的开挖进尺。大断面隧道转换施工开挖进尺为1～3 m时，不同埋深情况下围岩变形情况（拱顶沉降）如图1所示。

分析图1可知，在埋深≤250 m时，开挖进尺为1 m时拱顶沉降量显著低于其余两个开挖进尺，即此时围岩变形最小;在埋深≥350 m时，开挖进尺为2 m时围岩变形最小，埋深为350 m与450 m时开挖进尺为2 m的拱顶沉降值变化趋势大致相同。分析原因可知，在埋深不深时，隧道开挖里程越长，开挖扰动次数越多，围岩变形受其影响较大，此时，开挖进尺小，扰动次数就少，围岩变形越小;埋深较深时，扰动次数与地层条件共同影响围岩变形情况，因此，在埋深≥350 m情况下，大断面隧道转换施工优化时，需充分分析地层条件与开挖扰动次数。在这种情况下，最佳的开挖进尺为2 m。综合分析可知，埋深≤250 m时，最优开挖进尺为1 m;埋深≥350 m时，最优开挖进尺为2 m。

3.2 侧压力系数优化分析

利用FLAC 3D软件计算分析不同侧压力系数在隧道转换施工时围岩的变化情况，侧压力系数属于除埋深以外的主要地质因素。以埋深450 m、开挖进尺2 m为固定条件，分析不同侧压力系数时大断面隧道转换施工时围岩变化情况。侧压力系数通常为0.5、0.6、0.7、0.8，不同侧压力系数情况下隧道围岩沿轴向发展情况如图2所示。

分析图2可知，侧压力系数越大，隧道拱顶沉降值越大，即围岩变形越大，在侧压力系数为0.8时，隧道拱顶沉降值明显高于其余三个侧压力系数时的拱顶沉降值，此时，隧道位移也最大。试验证明：侧压力系数过大时，在围岩应力调整时隧道洞壁變形较大，因此，在大断面隧道转换施工时不宜选取过大的侧压力系数。

3.3 钢拱架间距优化分析

利用FLAC 3D软件计算分析钢拱架间距不同时隧道转换施工时拱架的最大拉应力值，分析结果如图3所示。

分析图3可知，Ⅰ20a与Ⅰ25a的K值变化趋势一致，Ⅰ25a在间距为0.5～1.1 m时的K值未超过值，Ⅰ20a在间距为0.5～0.9 m时的K值未超过值。综合分析可知，钢拱架间距宜选择0.5～0.9 m，最大应≤1.1 m;Ⅰ20a钢拱架的最大拉应力值显著高于Ⅰ25a钢拱架，而Ⅰ25a钢拱架间距范围大于Ⅰ20a钢拱架。试验证明：在破碎围岩条件下，大断面隧道转换施工时钢拱架间距宜选0.5～0.9 m，钢拱架型号宜选择Ⅰ25a，隧道施工安全性较高。

4 结语

目前大断面隧道转换施工时工法较为保守，转换时经常出现停工问题，严重耽误工期。为此，研究破碎围岩条件下大断面隧道转换施工优化方法，利用双侧壁导坑法与CRD法实现不同破碎围岩等级时的施工转换，分析转换施工时侧压力系数与钢拱架型号等对隧道围岩变形的影响，选取最优施工参数，完成转换施工优化。试验结果表明：侧压力系数越大，隧道围岩变形情况越严重，最优侧压力系数取值区间为0.5～0.7;为提升隧道施工安全，钢拱架型号宜选择Ⅰ25a型。

参考文献

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[3]蒋 庆，孙克国，周慧超，等.超大断面小净距隧道方案优化研究[J].水利水电技术，2020，51（1）：32-38.

[4]梁广山，穆永军.超大跨度公路隧道施工工法转换方案及工期分析[J].筑路机械与施工机械化，2020，37（8）：52-55.

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[8]陈 涛，杨峻煕，杨永靖，等.软弱破碎围岩隧道钢拱架与围岩受力特征分析[J].施工技术，2020，49（7）：80-83.

作者简介：

黄武恒（1982—），工程师，主要从事高速公路隧道施工安全管理工作。