新意法开挖进尺对结构隧道变形的影响研究

孙合朋，钟水平，王传飞

（中交路桥南方工程有限公司，北京 100000）

1 依托工程概况

大广二期高速公路马槽仔隧道，为分离式双向六车道公路隧道，主洞净宽15.588m，净高8.85m，路面以上净空面积102.64m2，横坡坡度为2%，纵坡0.3%~3%。马槽仔隧道进口处位于龙南县桃江乡洒口村马槽山龙灵农场，出口处位于龙南县渡江镇果农村社背；左线隧道起讫桩号Z2K124+455—Z2K126+305，总长1850m，隧道最大埋深约164m，位于Z2K125+460 附近；右线隧道起讫桩号K124+475—K126+320，总长1845m，隧道最大埋深约164m，位于K125+480 附近。

隧道建造区域为剥蚀低山地貌，支脉、冲沟错综复杂，地形总体起伏较大，地下水丰富。隧址区内最高点位于隧道右侧，标高为550m，最低标高约为233m 左右，相对高差约317m。进洞口位于一条东南走向的冲沟右侧山腰，出洞口位于一条东南走向的冲沟左侧山腰，隧道进、出洞口部位的岩土体较破碎，存在厚堆积体。根据工程地质勘测资料，隧道建设区域内地质结构复杂，存在断裂带、溶洞、褶皱、断层、承压水等诸多不利用隧道建设的工程地质环境和水文环境。

隧址区山高林密，相对高差较大，山体连续性较好，沟谷切割较深，狭长，泄流条件好，不利地表水存留，在隧道进、出口沟谷中均有小溪流，流量约5~10t/h。左线隧道出口浅埋段前位于沟谷中，沟谷有溪流，地表水对隧道开挖影响较大。根据沿线水文勘测资料，建设区域内地下水为主要为孔隙水、裂隙水及岩溶水3 类，且裂隙水和岩溶水是影响隧道围岩稳定的主要因素。根据工程设计资料和现场施工组织要求，在隧道岩土体开挖施工时，采用新意法施工。

2 有限元分析模型建立

2.1 模型建立

选取马槽仔隧道地处Ⅳ围岩段进行有限元建模，探讨各种参数对隧道的影响规律。在计算过程中，为降低仿真分析难度，隧道围岩采用摩尔-库仑模型，隧道内部衬砌混凝土采用线弹性模型[1-3]。

根据隧道设计结构文件，确定围岩采用3D 实体模型单元，衬砌混凝土采用2D 板单元，超前锚杆采用1D桁架杆单元，其中喷混混凝土厚度为0.24m，锚杆长4~5m，直径22~25mm。根据工程的实际施工尺寸，开挖面的直径为15.588m，据圣维南原理可知，在隧道开挖过程中，隧道中心3~5 倍开挖直径的土体会受到开挖影响，因此根据该原理，设计模型的横断面宽度X 为100m，隧道的掘进方向长度Y 为20m，横断面高度Z 为96m。

有限元模型，对隧道附近的单元进行了单元为1m的加密处理，其余单元尺寸为2m，模型共有47118 个单元，43696 个节点。模型上边界地面设定为自由面、底部位移边界设为固定边界约束、两端采用水平定向约束，模型前后施加Y 向约束。

2.2 模型计算参数的选取

围岩设计参数采用Ⅳ级围岩物理力学指标标准值。参照文献[4]中超前小导管注浆对围岩作用的等效模拟分析结论，结合依托工程实际情况，将超前小导管对注浆对围岩的作用等效为加固圈作用，而注浆加固后的围岩性能将有所提升，根据已有研究成果[5-7]，弹性模量提高42%～56%、黏聚力提高35%～51%，内摩擦角提高2.3°～3.4°，因此本文对加固圈内围岩进行材料属性的改变进行模拟超前小导管的作用。

掌子面-超前核心土进行预加固注浆，考虑到围岩应力释放后强度会大幅折减，二预注浆加固可有效降低这种强度折减，据相关研究[8-11]，对掌子面核心土进行超前预注浆加固，隧道围岩的弹性模量、内摩擦角、黏聚力将分别提升95%、50%和90%。结合马槽仔隧道实际地质情况，计算模拟参数取值如表1 所示，其中注浆加固区的力学参数按上述所示进行提高，而喷射混凝土和灌注混凝土在钢拱架及钢筋网片的作用下，其力学参数较素混凝土会有较大幅度的提升。

表1 数值模拟计算参数

3 不同开挖进尺对隧道变形的影响

3.1 开挖进尺参数确定

模型选取的隧道开挖方向长度为20m，本文选取了3m、5m 和8m 共3 种开挖进尺进行了对比分析。以3m 开挖进尺为例，表2 为其施工阶段划分，另外两种进尺除在施工阶段上少于3m 进尺，其余均相同，此处不在重复赘述。

表2 开挖进尺为3m 下的施工阶段划分

3.2 不同开挖进尺围岩变形情况

新意法开挖隧道完成后，图1 为拱顶最终沉降与边墙最终水平位移随开挖进尺的变化曲线。可以看出随着开挖进尺的增加，拱顶沉降逐渐增加，边墙的水平位移也在增加。

图1 不同开挖进尺下拱顶沉降与边墙水平位移

由图1 可以看出，随着开挖进尺的增强，拱顶沉降量和边墙水平位移均呈递增趋势；当进尺大于5m 时，增长速率虽有所减缓，但最大沉降值已超过20mm、水平位移也接近15mm。

3.3 隧道开挖应力情况分析

隧道开挖完成后，3m 开挖进尺下模型对应的围岩水平、竖向应力计算，以拱顶为观测点，图2 为其在不同开挖进尺下最终Z、X 向应力变化曲线，可以看到Z与X 向应力均随着开挖进尺的增大而增大，这是符合工程实际的。

图2 不同开挖进尺下拱顶沉降与边墙水平位移

由图2 可以看出，随着开挖进尺的增强，拱顶围岩Z 向应力和X 向应力均呈递增趋势；当进尺大于5m时，增长速率明显增加，因此，为保证结构安全，开挖进尺不宜超过5m。

4 超前小导管长度对变形的影响分析

对超前小导管的模拟等效为注浆加固圈，因此，通过改变加固圈厚度，从而实现不同超前小导管对隧道开挖的影响。为此，设置了0.5m、1m、1.5m、2m 四种厚度的加固圈。其余计算参数与工况为开挖进尺为5m 时的相同。

隧道开挖完成后，拱顶最终沉降与边墙最终水平位移随加固圈厚度的变化曲线如图3 所示。

图3 不同小导管等效加固圈厚度下拱顶沉降与边墙水平位移

由图3 可以看出当等效加固圈厚度增加时，拱顶沉降与边墙水平位移均减小，其中小导管加固圈长度对拱顶沉降值的影响显著大于对边墙水平位移的影响。综合考虑拱顶沉降和边墙水平位移，加固圈的长度不宜小于1.5m。

5 结论

基于工程设计和新意法隧道开挖施工过程，对不同开挖进尺和小导管长度下，隧道围岩及支护结构的变形和应力情况进行模拟仿真，得到以下结论。

（1）随着开挖进尺的增强，拱顶沉降量、边墙水平位移、拱顶围岩Z 向应力和X 向应力均呈递增趋势；当进尺大于5m 时，增长速率虽有所减缓，但最大沉降值已超过20mm、水平位移也接近15mm，围岩Z 向应力和X 向应力增长速率明显增加，因此，为保证结构安全，开挖进尺不宜超过5m。

（2）当小导管等效加固圈厚度增加时，拱顶沉降与边墙水平位移均会出现一定幅度的减少，其中小导管加固圈长度对拱顶沉降值的影响显著大于对边墙水平位移的影响。综合考虑拱顶沉降和边墙水平位移，加固圈的长度不宜小于1.5m。