■郑际练

（三明莆炎高速公路有限责任公司，三明 365000）

隧道洞口稳定性是指隧道在进洞、 出洞施工时，在支护作用下地层及结构的自稳性。 隧道的稳定性不仅与洞口处的地质环境、地层应力、岩体力学性质有明确的关系，还与隧道洞口段的施工存在密切的关联，如洞口形状、开挖工序和超前预支护方案等。 随着有限元数值分析的进一步发展，工程量测监测技术的进一步提高，使得隧道洞口稳定性分析已经逐渐形成一门完善的研究体系[1-5]。

众多学者针对隧道洞口段施工稳定性已经开展了大量研究。 王国欣等[6]根据实际工程监测数据，通过Plaxis 有限元软件对隧道洞口的结构及地层的滑坡、坍方等问题进行模拟，同时对洞口施工可能出现的病害和灾害进行控制，从而保证工程上隧道洞口施工的安全稳定。 熊明康等[7]根据疏松堆砌体隧洞围岩构造易破坏、自稳能力差的特性，通过数值模拟和分析结合的方法，系统分析并研究了疏松堆砌体隧洞钢拱架不同间距对隧道设计洞周位移和内部应力的影响特性。 仇明等[8]以向家坝水电站库区的姚家坝隧洞工程为主要科研背景，通过三维有限元法深入研究了隧洞工程建设中形成山体边坡及支撑构件的稳定安全状况，并对孔洞综合治理与前、 后山体坡度及其隧道内支撑构件的承载力、形状和稳定性进行了对比分析。 基于前人的研究情况，本文针对福建莆炎高速公路苏桥隧道左线出口成洞面段双侧壁导坑工法在管棚超前预支护未实施及实施两种情况下进行了施工稳定性分析。该隧道为山区双线6 车道大跨径隧道，数值模拟分析采用三维离散单元法，通过典型断面拱顶沉降等工程实测数据对比验证，阐述管棚支护工法在该类型隧道施工中的影响。

1 工程概况

福建省莆炎高速公路苏桥隧道为双线6 车道大跨径隧道，右隧长355 m，属短隧道，最大埋深60 m；左隧长369 m，属短隧道，最大埋深60 m。 隧道桩号ZK206+039 区域为左线出口成洞面位置，该出口端岩体风化破碎严重。 围岩主要为硬塑状粉质粘土和砂土状～碎块状强风化层，岩体呈散体结构、碎裂结构，围岩稳定性差，施工开挖后易塌方、掉块，应加强支护措施，图1 为苏桥隧道左线出口设计图。

图1 苏桥隧道左线出口设计图

ZK206+039 区域设计喷射混凝土厚28 cm；边墙设置系统锚杆长4.0 m， 环×纵距离为1.0 m×1.0 m；拱墙钢筋网间距为20 cm×20 cm；钢架全环设置，材料规格I22b，间距0.5 m；设计开挖预留变形量为15～20 cm。 由于跨径较大，洞口浅埋段隧道采用双侧壁导坑法进行开挖， 每天进尺以0.5～1.0 m 为宜。 图2 为隧道双侧壁导坑工法示意图。

图2 双侧壁导坑工法示意图

2 数值计算模型构建

2.1 构建方法

在岩土计算力学方面， 基于三维离散单元法能够更为逼真地表现节理岩体的几何特征， 有利于求解将非线性变形和损伤都聚焦于节理表面的岩体破坏问题，因而常被应用于模拟坡度和节理岩体地下水渗流等土木工程力学现象[9]。 再者，以连续介质力学为基础的有限元等数值计算方法较难模拟岩土材料的损伤形态和损坏过程，而离散元法在则具有能够模拟金属材料由连续到非连续的变化过程的优越性[9-10]。 结合本文项目背景苏桥隧道的地质特点，采用三维离散单元法进行数值模拟是合适的。

2.2 模型建立

采用三维离散元软件3DEC，选取区段ZK206+039 进行数值建模，在此范围内认为岩体节理相似。岩土工程体使用的弹塑性模型， 必须遵循Mohr-Coulomb 准则（3DEC 中为cons2）；节理本构模型使用了jcons 1， 即为库伦滑移破坏下的区域接触弹/塑性模型。其三维模型尺寸为：X·Y·Z=90 m×30 m×60 m，整个模型底部为全部约束，边坡面定义为自由边界，左右两侧均设为水平约束。 锚杆、喷射混凝土采用软件中的锚杆单元和梁单元模拟。 隧道洞口段数值模型如图3 所示。

图3 隧道洞口段数值模型

由于硬塑状粉质粘土量较少且未直接接触洞口段结构，本文模拟时做简化处理，仅考虑砂土状～碎块状强风化层影响。 根据设计图纸结合现场地质勘察和试验，测得强风化岩体力学参数：体积模量2 K/GPa、剪切模量0.86 G/GPa、摩擦角28°、粘聚力24 MPa、抗拉强度12 GPa；结构面力学参数：法向刚度10 Kn/GPa、切向刚度1 Ks/GPa、摩擦角19°、粘聚力12 MPa、抗拉强度3 MPa。

3 数值模拟结果分析

为研究管棚支护对该洞口段区域施工稳定性影响，考虑管棚支护未实施及实施2 种情况进行数值模拟分析。

3.1 未实施管棚支护条件下数值模拟结果分析

图4 为未实施管棚支护条件下隧道开挖后的变形云图。 从Z 方向位移云图可知隧道开挖以后其主要位移影响区域为整个坡面，随着隧道开挖拱顶累计沉降值在逐渐增大，最大位移为55 mm，位于左拱拱顶位置（和双侧壁导坑法相适应）。

图4 未实施管棚支护条件下隧道Z 方向变形云图

对该工况下隧道开挖完以后的塑性区进行分析，如图5 所示。 从图中可以看出，随着隧道的开挖塑性区面积逐渐增大，主要分布于隧道拱顶左下方坡段，因此需要及时做好该区域的防护工作，确保边坡和隧道的安全。

图5 未实施管棚支护条件下隧道塑性区云图

3.2 实施管棚支护条件下数值模拟结果分析

3.2.1 管棚加固机理和设计参数

超前管棚支护是隧道施工中处理软弱、破碎与浅埋偏压等不良围岩地质的有效施工方法[11]。 通过管棚注浆可以使拱部开挖线外周边围岩预先形成加固的保护环，发挥“承载拱”作用；洞口的管棚杆体本身就具有“托梁效应”，一方面控制岩土地表和拱顶沉降，一方面又把所承受的支撑围岩压力平分在洞身附近，从而大大减少了支撑围岩传输给初支的压力[11]。

根据具体地质情况及隧道结构尺寸特点，苏桥隧道左线出口ZK206+039 区域管棚设计参数如下：（1）导管规格：外径Φ108 mm，壁厚6 mm 热轧无缝钢管，节长4～6 m。左线出口管棚长30 m。（2）管距：环向间距40 cm。 钢花管上钻注浆孔：孔径14～16 mm，孔间距113 mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段110 cm。（3）倾角：与洞身轴线平行外插角为1°～3°。 长管棚正面布置图如图6 所示。

图6 洞口长管棚正面布置图

3.2.2 数值模拟结果

图7 为实施管棚支护条件下隧道开挖后的变形云图。 从Z 方向位移云图可知随着隧道开挖拱顶累计沉降值，最大位移为40 mm，位于左拱拱顶位置，较未实施管棚时有了较大的减少。

图7 实施管棚支护条件下隧道Z 方向变形云图

对该工况下隧道开挖完以后的塑性区进行分析，如图8 所示。 从图中可以看出，采用管棚支护后隧道的塑性区面积大大减小，塑性主要分布在隧道左拱顶处。 隧道施工稳定性较未实施管棚支护条件下有明显提高。

图8 实施管棚支护条件下隧道塑性区云图

4 工程实测数据对比

隧道双侧壁导坑法施工截面监测点布置如图9所示，其中C1 为左拱拱顶沉降点，累计沉降值一般较右拱拱顶沉降点C2 更大。

图9 双侧壁导坑法施工截面监测点布置图

选取苏桥隧道左线出口成洞面ZK206+039 区域监测数据分析，其拱顶沉降累计变化值时态曲线如图10 所示。 由图可知苏桥隧道左线出口成洞面拱顶沉降C1 点累计值为32.6 mm，C2 点累计值为19.8 mm，C1 点沉降累计值比理论计算值小， 经过超前管棚支护加固处理，该区域沉降数据在预计范围且渐趋于稳定状态。

图10 ZK206+039 拱顶沉降累计变化值时态曲线

5 结论

本研究采用离散单元法建立了隧道洞口段分析模型，并通过现场实测分析实现了大跨径隧道洞口区域综合稳定性评价的目的。 具体结论如下：（1）双侧壁导坑工法+管棚支护能够较好的适应山区大跨径隧道洞口段破碎状围岩的开挖。 （2）与未实施管棚支护条件下相比，管棚支护能够降低隧道开挖拱顶累计沉降值， 并大大减少隧道的塑性区面积，从而增加隧道洞口段施工稳定性。 （3）苏桥隧道采用的管棚设计参数较合理， 通过现场监测数据分析，实测拱顶累计沉降值小于理论计算值，洞口段施工稳定性较好。