环形开挖预留核心土法隧道掌子面稳定性分析

摘要 文章针对穿越Ⅴ级围岩（强～中风化泥质粉砂岩）的小净距隧道，采用环形开挖预留核心土法进行施工。为了保证隧道中夹岩柱的稳定性，需要采用5.5 m的长锚管进行加固。为了方便长锚管的施工，通过调整核心土面积并对隧道掌子面的稳定性进行了分析。通过建立三维有限元模型，模拟不同施工工况下的掌子面稳定性，并结合现场监测数据进行综合分析。结果表明，调整后的核心土面积能够满足施工要求，保证掌子面的稳定性，进而确保整个隧道施工的安全。这一研究对于类似地质条件下的隧道施工具有重要的指导意义。

关键词 Ⅴ级围岩；环形开挖预留核心土法；核心土面积；隧道施工

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0125-03

0 引言

小净距隧道Ⅴ级围岩采用环形开挖预留核心土法进行施工，根据《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020）规定：核心土面积宜不小于断面面积的50%，但根据隧道设计图纸，小净距隧道中的夹岩体需进行5.5 m的长锚管加固，核心土面积较大则影响长锚管的施工。为方便长锚管施工，需要调整核心土面积。因此，进一步探讨Ⅴ级围岩掌子面的稳定性分析具有一定的实际意义及工程价值。

1 工程概况

一级公路路线全长约1.16 km，其中隧道长约992.5 m（左右洞平均长度）。隧道单洞净宽12 m；隧道出洞口为丘陵缓坡，自然坡度10°～15°，坡表为杂树林，表部为残坡积层，黄褐色，主要由碎石、角砾及黏性土组成，厚度为0.5～2 m不等，碎石含量约10%～20%，粒径为2～4 cm，局部大于15 cm，其余为黏性土；下浮基岩为砂砾岩与泥质粉砂岩互层，全强风化呈灰褐、紫红色；中风化泥质粉砂岩，岩体较完整，岩质软，遇水易软化崩解。隧址区总体位于玄武岩台地内，洞身穿越含砾粉砂岩和砂砾岩；隧道全线为Ⅴ级小净距隧道，采用环形开挖预留核心土法施工，机械开挖施工，隧道围岩的整体稳定性较差，由于小净距隧道需要对中夹岩层进行加固处理，核心土将影响5.5 m的小导管施工，为满足施工需要，需调整核心土面积，以方便中夹岩的加固施工[1]。

2 地质、水文情况及掌子面理论分析

隧址区主要为玄武岩台地，地势平缓，隧道埋深5～60 m。坡表为薄层耕植土，其下为残破积层，黄褐色，主要由黏性土及含黏性土的碎砾石组成，厚度为0.5～2 m不等，碎石含量约10%～20%，粒径2～4 cm。其中隧道穿越山体表层局部存在覆盖层滑坡，地层岩性主要为含碎石粉质黏土、含黏性土碎块石、块石，杂乱分布，厚度约7～8 m，现状已采用挡墙加固，坡体稳定。下伏基岩为砂砾岩与泥质粉砂岩互层。

地下水主要为残坡积孔隙潜水和基岩裂隙水，汇水面积较大，地下水易于排泄，水量一般；开挖时沿节理面会有渗水现象，降雨时可能有淋雨状出水。

隧道穿越中风化砂砾岩、泥质粉砂岩，胶结性差，节理裂隙发育，岩体较完整～较破碎，围岩呈碎裂状结构，Rc=5.9～7.5 Mpa，Kv=0.45～0.75，[BQ]=170.2～226.8，综合评定围岩级别为Ⅴ级围岩。

采用静力平衡法对Ⅴ级围岩岩体隧道的掌子面破坏机理进行分析，利用静力平衡方法研究掌子面的稳定性问题，掌子面主动土压力与核心土提供的抗力相平衡[3]，从而认定掌子面处于稳定状态。隧道掌子面的岩体较完整，岩体抗压强度较低，考虑施工节奏较为紧密，暂不考虑风化差异性对岩体物理力学性质的影响，结合施工工况对隧道变形进行控制分析。

3 三维有限元模型

依据地勘报告和隧道设计图纸，建议三维隧道模型，模型的具体尺寸为70 m×30 m×35 m（长×宽×高）。隧道跨径取B=13.70 m，隧道拱顶距模型顶部的距离为15 m。模型边界条件：模型的底部为固定边界，四周为法向约束边界，顶部为自由边界。围岩和初期支护结构均采用实体单元进行模拟，如图1、图2、图3所示：

根据设计方案和勘察资料，各材料的物理力学参数如表1所示：

4 施工阶段与数值模拟结果分析

隧道开挖1.5 m数值模拟如图4所示：

隧道开挖7.5 m数值模拟如图5所示：

隧道开挖10.5 m数值模拟如图6所示：

数值模拟变形结果如图7所示：

数值模拟变形结果如表2所示：

5 结果分析

根据软件三维建模计算结果，隧道中部核心土顶部及隧道拱顶位置为变形最大位移处[2]，隧道掌子面位移变形量为0.97～1.73 mm，可以保持稳定状态；隧道拱顶部位移变形量为1.72～18.5 mm，能够满足隧道设计的预留变形量；核心土区域顶部位移变形量为3.6～20.2 mm，不会出现隧道的底部隆起。隧道采用机械开挖的方式，施工振动较小，对围岩的自稳定能力影响较小。因此，综合隧道各部位的变形量结果，可以满足设计要求和相关规范的规定。

6 监测数据

6.1 拱顶位移监测数据

调整核心土后，隧道机械开挖施工的拱顶位移监测数据见表3所示：

6.2 周边地表位移监测数据

调整核心土后，隧道机械开挖施工的周边地表位移监测数据见表4所示：

7 结论与建议

7.1 结论

隧道Ⅴ级围岩整体性较好，局部含软弱夹层，隧道进洞后渗水量较少，具有一定的自稳能力，在初期支护及时的情况下，可以缩小核心土面积，方便中夹岩的加固施工，同时可以保证掌子面的稳定性，既加快了项目的实施进度，又保证了项目的施工安全性。根据调整核心土面积后施工过程中反馈的监测数据，发现监测结果与模型分析结果相近，属于可控范围，能够满足安全施工的要求。

综合以上计算结果，考虑施工的便利性，在现有围岩的地质情况下，调整后核心土的面积可以满足隧道掌子面稳定性的需求。

7.2 建议

在隧道施工中应及时关注掌子面的围岩地质情况变化及渗水量大小，结合超前地质预报的分析成果，以及施工后监测数据的综合对比分析，动态调整核心土面积。开挖后应及时进行初期支护的施工，防止局部节理裂隙发育而发生小型的围岩塌落，保障施工安全。

参考文献

[1]练钢.某隧道深埋段围岩压力计算及受力特性研究[J].福建建设科技，2021（3）：43-45+80.

[2]董德智.软弱围岩大断面隧道开挖面变形控制技术[J].建材与装饰，2019（20）：258-259.

[3]肖先武.丘陵山区隧道环形开挖预留核心土法单向出洞施工工艺探讨[J].交通科技与管理，2023（08）：89-91.