公路隧道项目跨软弱断层的开挖施工技术探讨

李凯

摘要 针对软弱断裂、破碎围岩段的隧洞开挖施工存在的突水、塌方等施工安全问题，结合某高速公路隧道穿越软弱断裂围岩段施工实践进行施工技术难点分析。利用有限元软件对不同开挖方式下穿越软弱断裂的深埋隧洞施工进行围岩稳定性分析，希望能对同类项目起到一定的参考作用。

关键词 公路隧道项目；软弱断层；开挖工法；围岩稳定性

中图分类号 U455.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0054-03

0 引言

近几年，我国高速公路的建设规模日益扩大，隧道施工面临的地质情况愈加复杂，施工安全风险较大。在施工实践中往往需穿越软弱断裂的岩体区，而此类地质体的结构十分脆弱，施工时容易发生突泥、塌方、突水等安全事故，造成严重的生命财产损失。为了确保隧道工程安全高效地开展，进行相关的理论和实践研究很有必要。

1 工程概况

某高速公路隧道全长1 966 m。该隧道工程所在区域地质情况复杂，以太古界、第四纪坡积、洪积层、长城系为主，其中洪积层和第四纪坡积分布连续，地层厚度在0.8～3.5 m之间。隧道洞身穿越3条泥岩和砂岩组成的断层，各断层宽度在20～50 m之间，断裂方向大致与高速公路线路基本垂直。该高速公路隧道为分段式中等跨度隧道，其单洞结构极限尺寸为11.0 m×5.5 m，出入口平面采用单方斜坡设计，坡度2.6%，抗震设防烈度为8级，设计荷载为公路—I级。

2 数值计算模型及方案设计

采用有限元方法模拟不同的隧道跨软弱断层的开挖施工方案，对穿越断层隧洞的施工工艺进行优选。实践中针对穿越断层隧道开挖常采取台阶法，根据 MidasGTS/NX有限元仿真工具，基于不同的台阶数目和不同的芯土体，从衬砌结构的主应力和变形等角度，对台阶法进行优选分析[1]。

（1）结合该隧道工程施工现场实际情况对岩体断裂进行数值仿真，通过参数弱化模拟断层地质情况，该断层的倾斜角度和夹角约为90°，层厚19 m，围岩等级为Ⅴ类。表1给出了断层的相关弱化参数[2]。

（2）在前期支护施工中，支护系统的锚索使用4 m长的锚管，采用C25混凝土进行喷射作业，仰拱、拱壁厚28 cm，全环由I20b型钢构成拱架。在此基础上，适当增加初始支护的弹性模量等参量，采用等效法对钢拱架的支护效果进行简化，具体公式如下：

式中，E0——初始喷射混凝土的弹性模量；E——折算后的喷射混凝土弹性模量；Sg——钢架的截面积；Eg——钢材弹性模量；Sc——喷射混凝土的截面积。

（3）钢材和混凝土的相关参数基于相关隧道工程施工设计要求以及混凝土结构设计规范确定，初期支护的数值模拟参数见表2。

（4）在进行开挖施工方案的优选时，二次衬砌用于安全储备，以初期支护为主承载体，因此，可忽略二次衬砌的影响，重点分析初期支护的影响。初期支护结构主要为钢拱架、喷锚支护结构，钢拱架混凝土作为一个整体，用二维板单元进行仿真分析，而锚杆则通过一维内插桁架单元进行仿真分析[3]。

3 数值模拟方案设计

数值仿真计算时，先开挖模拟再进行喷射混凝土支护模拟。保持封闭距离不变，拟定多种开挖施工方案，进行优选计算分析，拟定工况统计结果见表3。施工过程中，所有仰拱均单独开挖，开挖进尺均为2 m，并确保封闭距离不变。

隧道重点位置的位移和变形监测，由于是对称结构，在此仅选取一侧的相关部位进行监测，测点设置见图1。仰拱、拱顶处监测竖向位移，边墙拱脚处监测水平位移。

4 不同开挖工法衬砌应力分析

开挖施工结束后，对衬砌结构的受力进行计算，相关模型均采用20 m的断层厚度，因此，仅选取断层中部的一环衬砌作为试件进行应力分析，3种工况下衬砌结构的主应力最大/最小值见图2～7。不同开挖工法衬砌应力统计见表4[4]。

根据图2～7数据分析可以看出：①在不同工况下，衬砌结构的主应力最大/最小值云图近似，压应力较大、拉应力较小，在断层内部的衬砌主要受到压力作用；②开挖工作方式由V-01向V-03转变的过程中，台阶法、临时仰拱法、预留核心土法对应的衬砌应力极值增加，但分布较为均衡，较少出现应力集中现象，且应力值较小；③从衬砌结构的受力情况来看，穿越软弱断层的隧道开挖施工应采取台阶法，且三段式台阶法要比二段式台阶法效果更好，预留核心土可提高衬砌结构的受力情况[5]。

5 不同开挖工法围岩变形分析

开挖结束后，围岩变形计算，模型统一选取20 m的断层厚度，故只选取在该模型中部橫向断面进行围岩体变形计算分析，其极值计算分析结构见表5。

根据表5可以看出：①无论施工方法如何改变，竖向位移的隆起极值均大于沉降极限；②从水平位移来看，水平对称位置的水平位移差异不大；③两台阶法、三台阶法和三台阶预留核心土法对应的隆起值、沉降值与水平位移值均下降；④采用台阶法预留核心土法可有效抑制岩体变形，因而从岩体总体变形角度看，应采用台阶法进行穿越断层隧道开挖，三段式台阶法效果优于二段式台阶法，而且三台阶预留核心土法在围岩变形控制及维护围岩稳定性方面具有显著优势[6]。

6 不同断面形式监测点位移时空变化分析

经比较分析得出：①不同工况下，且在边界条件下，模型有局部增减；②隧道施工中位移极大值均出现在断层中；③测点数据显示，断层内的位移变化幅度显著增加，断层外的位移变化则相对平缓，尤其是拱顶处的位移，在断层时位移变化显著；④在开挖工法—两台阶开挖—三台阶再到预留核心土的过程中，一般围岩段的位移变化不显著，但在软弱断层段内，围岩各处的位移显著降低[7]。

7 结论

综上所述，在穿越软弱断层隧道施工中，不同的开挖施工方案下，衬砌结构的受力均以承压为主。依次采用二段式台阶法、三段式台阶法、预留核心土法开挖，仿真结果显示采用台阶法进行开挖施工，虽然在施工过程中土应力极值增加，但应力分布更均衡[8]。

（1）依次采用二段式台阶法、三段式台阶法和预留核心土法开挖。

（2）对测点处的位移进行时间特征和空间特征分析，在一定程度上减少了软弱断层对开挖施工的影响。

（3）从衬砌的受力、围岩的变形、围岩的稳定等多个方面分析发现，在穿越软弱断层隧道施工中，应采用台阶法开挖，且三段式台阶法效果略好于二段式台阶法，更好地确保围岩的稳定性，从而保证隧道施工安全[9]。

参考文献

[1]金鹏. 跨软弱断层隧道开挖工法优化研究[J]. 建材世界， 2022（6）： 81-85.

[2]张恭平， 刘优平， 李雨希， 等. 大断面深埋软岩隧道开挖方法适应性研究[J]. 南昌工程学院学报， 2022（1）： 66-70+101.

[3]周智宇. 深埋大跨度隧道开挖力学性能分析及快速施工工法研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2021.

[4]傅甜甜. 朗镇二号软岩隧道开挖工法对比研究[D]. 拉萨：西藏大学， 2022.

[5]马宝芬. 大断面浅埋偏压黄土隧道开挖工法优化及围岩稳定性分析[D]. 西安：西安科技大学， 2021.

[6]代聪， 何川， 刘川昆， 等. 开挖工法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性影响的模型试验研究[J]. 现代隧道技术， 2020（4）： 141-149.

[7]郝洪兴. 富水山岭隧道开挖工法对围岩稳定性的影响研究[J]. 水利与建筑工程学报， 2020（3）： 150-154+174.

[8]胡诗林. 大跨度地下洞室锚拉开挖工法研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2021.

[9]马宝芬. 大断面浅埋偏压黄土隧道开挖工法优化及围岩稳定性分析[D]. 西安：西安科技大学， 2021.