蒲实

[摘  要]：隧道智能建造相较于传统隧道施工具有施工效率高、作业人员少、施工质量有保证等优点，而全断面或微台阶开挖是隧道智能机械化施工实现的重要前提，因此为了适应隧道智能机械化施工，隧道初期支护体系和工法都要作相应调整。文章在全断面和微台阶开挖条件下，分析Ⅴ级围岩初期支护施工期安全性，通过分析评判指标给出该型初期支护是否能够在相同地层条件下进行施工。

[关键词]：公路隧道; 开挖工法; 超前预支护; 系统锚杆; 安全性评价; 数值模拟

U453.49A

G4216线宁南至攀枝花段高速公路位于凉山彝族自治州和攀枝花市境内，是谋划中国经济新棋局作出的既利当前又惠长远的重大战略决策。当前各行各业都处于由传统制造向互联网智能化方向发展的历史洪流当中，而工程建设行业还是相当落后，因此从提高隧道施工效率、保证施工质量以及确保施工安全的角度出发，机械化、少人化以及智能化是隧道工程建设亟待解决的重大课题。

本文以特长隧道火山隧道為例，采用数值模拟对Ⅴ级围岩微台阶、全断面开挖的初期支护体系进行安全性评价分析。

1 计算模型建立

计算模型边界条件：水平方向自隧道中心线至模型两边取35 m，模型沿隧道纵向取20 m，埋深为60 m。两侧施加水平方向的位移约束，与隧道轴线垂直的前后两侧施加沿轴向的位移约束，底部边界施加垂直方向的位移约束，顶部为自由表面，不进行约束。

各级围岩参数参考JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》。Ⅰ型初期支护系统参数：初期支护为24 cm的C30喷射混凝土，系统锚杆C22药卷锚杆，长度3.0 m，超前支护为42 mm注浆导管，长度为6 m，采用微台阶开挖;Ⅱ型初期支护系统参数：初期支护为24 cm的C30喷射混凝土，系统锚杆直径为C22药卷锚杆，长度3.0 m，超前支护为50 mm小导管，长度为6 m，采用全断面开挖（表1）。计算中围岩、初期和二衬均采用6面体单元进行模拟，钢拱架的作用采用等效的方法考虑到初期支护中，系统锚杆采用Cable单元模拟，超前支护采用Pile单元模拟（图1～图4）。

为了消除边界效应，2种工况均以y=10 m为目标面进行分析，得出初期支护位移、轴力和弯矩，并计算出安全系数。

2 计算结果分析

计算结果见图5、图6、表2。

2.1 Ⅴ级围岩微台阶开挖

通过竖向位移云图可知，微台阶法开挖拱顶的竖向位移为8.65 mm，拱肩位移收敛值为3.98 mm，拱腰位移收敛值为6.21 mm，初期支护在施工过程中位移逐渐收敛，并且均未超过初期支护变形控制基准值，初期支护不会侵限。

从塑性区的分布可知，塑性区主要分布在拱顶、拱墙和拱脚位置，拱墙位置与拱脚位置的塑性区相互连通，施工过程中应重点关注拱墙位置，该区域内容易出现掉块、塌方等情况，施工过程中应严格落实系统锚杆的施作（图7）。

由于超前支护的作用，拱顶在超前支护的梁作用下，限制了拱顶围岩的松弛，有效抑制了松动圈的扩大。

通过获取隧道开挖后拱顶的竖向位移，洞周的收敛位移，掌子面挤出位移，塑性区的分布等，并通过初期支护的安全系数综合评价施工安全性。初期支护评判指标如表2所示。

对于安全系数而言，上下台阶开挖，安全系数均大于规范规定的1.53，各阶段施工都是安全的。初期支护封闭成环后，最小安全系数出现在隧道拱腰处，左拱脚为3.26，右拱脚为3.28。

2.2 Ⅴ级围岩全断面开挖

计算结果见图8～图10、表3。

初期支护评判指标如表3所示。

对于安全系数而言，上下台阶开挖，安全系数均大于规范规定的1.53，各阶段施工都是安全的。初期支护封闭成环后，最小安全系数出现在隧道拱腰处，左拱脚为2.54，右拱脚为2.49。

3 结论

（1）通过对比2种衬砌支护参数下微台阶开挖和全断面3.2开挖发现，Z5jb（Ⅰ）型初期支护的最小安全系数为3.26，Z5jb（Ⅱ）型初期支护的最小安全系数为2.49，均满足规范规定的控制标准1.53，两种支护参数条件下均能保证隧道施工安全。

（2）2种工法塑性区均分布在拱顶、拱墙和拱脚位置，拱墙与拱脚的塑性区相互连通，施工过程中应重点关注拱墙位置，该区域内容易出现掉块、塌方等情况，施工过程中应严格落实系统锚杆的施作。

（3）对比分析2种工法拱顶塑性区，采用上下台阶法+42 mm超前小导管的塑性区小于全断面法+50 mm超前管棚的塑性区，由此可以说明在围岩较差地段，预留核心土是控制围岩变形和松弛的关键措施。

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