大断面隧道施工稳定性研究及其应用

大断面隧道施工稳定性研究及其应用

旷文涛　漆泰岳　周　捷　吴占瑞

（西南交通大学土木工程学院　成都　610031）

摘　要　基于正交试验原理，把正交设计试验方法与数值模拟有机结合用于大断面隧道施工稳定性研究。以掌子面最大纵向位移和拱顶围岩最大变形为评价指标，对大断面隧道各施工参数对其稳定性影响的敏感性进行分析。形成了基于正交试验原理的大断面隧道施工参数的优化设计方法，并且在武广客运专线浏阳河隧道中得到了成功应用。

关键词　大断面隧道　施工稳定性　正交设计　数值模拟

1　引　言

数值模拟试验方案可以采用简单对比法、全面试验法。但是简单对比法提供的信息不够丰富，全面试验法在许多情况下难以实现。当因素较多时，既要考虑试验次数少，又要得出可靠的结论，这就要求采用科学方法对试验进行安排，以提高效率。朱万成等^［1］提出数值模拟时，基于正交试验原理，把正交设计方法与数值模拟有机地结合。实践证明，基于正交试验原理的数值模拟计算方案是多因素试验的有效方法。

目前对大断面隧道的研究还很少，对其施工稳定性的研究也很肤浅。大断面隧道施工稳定性有多个影响因素，本文基于正交试验原理安排数值模拟计算方案。根据优化计算方案，对大断面隧道，根据不同的施工参数进行施工动态数值模拟，得到各因素对其稳定性影响的敏感性。施工时，根据各因素的敏感性和现场实际条件选取最优施工方案，为大断面隧道施工提供理论指导。

2　大断面隧道施工稳定性研究

2．1　大断面隧道施工稳定性影响因素

大跨度隧道围岩稳定性影响因素很复杂，包括地质、设计、施工等方面的因素。地质因素：如岩体的结构状态、岩石的基本性质、地下水状态及初始应力状态等；设计因素：如洞室断面形状、断面尺寸、支护措施、埋深以及与之相应的地应力水平等；施工因素：施工方法以及采取的一些加固措施，如开挖步长、掌子面加固方式等。

地质因素是由隧道所在位置确定的，支护参数、隧道尺寸等也已在设计时确定了。为了保证大断面隧道施工时拱周和掌子面围岩稳定性，就必须选取合理的施工参数。大断面隧道常用的施工加固措施如下：

①选取合理的隧道开挖方式及临时仰拱设置形式。

②打设玻璃纤维增强塑料（GFRP）锚杆加固掌子面。

③对隧道掌子面轮廓线以外围岩进行超前预加固。

④选取合理的开挖步长。

⑤选取合理的时间对开挖面进行支护。

通过数值模拟试验，比较分析各种施工参数下的施工稳定性，得到各施工参数对施工稳定性的敏感性，选取最有利的施工参数。由于施工参数比较多，必须选取合理的试验方法。正交试验方法能以较少的试验次数得到理想的结果，从而提高数值模拟效率。基于正交试验原理安排试验方案，得到技术可行的最优施工方案。

2．2　大断面隧道施工稳定性判据^［2］

隧道围岩位移的发生和发展是隧道力学行为动态的综合反映^［3］，且位移可方便地通过专门测量仪器测得。不管隧道的作用机理如何复杂，其经受各种作用后的反应可以用位移体现出来。通过周边位移观测以了解隧道的力学动态，是比较直观也易于实施的办法。所以根据围岩位移变化和发展判断隧道的稳定性是合理的。从围岩变形方面讲，围岩稳定就是围岩的最大位移不能超过极限位移。

对于大断面隧道，无论从断面大小、形状，还是受力变形特征来讲，其与普通隧道有明显的不同。由于围岩自稳高度有限，大断面隧道施工时掌子面围岩的稳定性十分重要。所以大断面隧道施工稳定性研究内容包括拱周围岩稳定性和掌子面围岩稳定性。

选取掌子面位移、拱顶（和拱底）围岩最大变形作为大断面隧道施工稳定性判据。在正交数值模拟的结果分析时，以其相应的位移作为评价指标。

3　数值模拟计算的正交设计

基于正交试验原理^［4］，数值模拟计算的基本过程如下：

（1）明确试验目的，确定评价指标

在大断面隧道施工稳定性研究中，数值模拟的目的就是为了确保施工时围岩稳定性。根据大断面隧道施工稳定性判据研究，在数值模拟的结果分析时，可以掌子面纵向最大位移、拱顶和拱底最大变形为评价指标。

（2）选因素，挑水平

大断面隧道施工稳定性的因素很多，在选择因素时，选取主要因素，兼顾次要因素。开挖方式及台阶仰拱设置、支护施作时间等因素，按照施工单位的实际情况选取。因此正交试验时，可以选取的因素有掌子面超前预加固长度和密度、轮廓线外的超前预加固方式、开挖步长等。因素的水平选取应结合现场实际情况选取。

（3）选取正交表、安排试验

数值模拟时，选取或者构造需要的因素、水平数的正交表格。然后按照各号试验对应的施工参数安排试验，计算各种方案对应的围岩位移。

（4）试验结果分析

由于数值模拟不存在传统意义的试验误差^［5］，所以按照极差分析数据结果。通过计算大断面隧道施工参数在各水平下隧道拱顶最大变形、掌子面纵向最大变形的平均值及其极差，分清各施工参数对考核指标影响的敏感性。然后采用综合平衡法，选取最优的施工参数作为施工依据。

（5）验证试验

根据正交试验选取的最优施工参数，建立分析模型，得到隧道拱顶最大变形和掌子面纵向最大位移，从而验证其施工稳定性。

4　应用实例

4．1　工程概况

浏阳河隧道位于长沙市星沙区，下穿浏阳河河底，与浏阳河河道走向夹角为50°；隧道穿越段河床宽210 m左右，勘察期间水面宽约200 m，水深7 m左右。河道内有采砂船来往，满载300～1 000 t。河堤处隧道埋深30．5～36．9 m，河底段隧道埋深为19．1～23．8 m。下穿浏阳河河底段隧道穿越地层主要为弱风化泥质粉砂岩、砂质泥岩等遇水易软化岩层，紫红色，中厚—厚层状。根据已完成的勘探成果综合比较分析，隧道围岩划分等级为Ⅴ级。隧道岩体相对较为完整，隧道洞顶弱风化岩体厚度一般为14．0～20．0 m，且渗透系数较小，仅有0．000 87～0．016 4 m/d，具有较好的阻隔水能力。过浏阳河隧道段的隧道毛洞最大尺寸为：宽×高＝13．48 m×15 m。

为了控制开挖过程中隧道的稳定性，以隧道洞顶最大变形、掌子面纵向最大位移作为施工安全性评价指标，对浏阳河隧道施工稳定性进行研究。

4．2　正交试验

（1）选取因素和水平

由于该隧道在整个工程中的重要性，在选取因素和水平时，共考虑了掌子面超前预加固长度与密度、隧道掌子面轮廓线以外的超前预加固方式、开挖步长4个因素，见表1。

表1　数值试验因素方案

（2）安排试验方案

这里有4个因素、3个水平，如果采用全面试验法，共需要进行3⁴＝81组试验。为了使试验次数尽量少，同时得到比较科学、合理的结果，基于正交试验原理，选取L₉（3⁴）表安排试验，见表2。

表2　正交试验设计及结果

续表

4．3　计算模型建立^［6］

土体参数根据勘察报告中的数据选取，材料为弹塑性模型，采用DP屈服准则。运用大型岩土分析软件FLAC-3D进行分析。模型宽度100 m，上至地表，下部取17．42 m，模型高度50．15 m，纵向取36 m，即宽×高×深＝X×Z×Y＝100 m×50．15 m×36 m，单元网格数为49 920个，节点数为53 741个。采用相应的单元对支护进行模拟，同时模拟整个动态开挖过程。数值模拟模型如图1所示。

图1　数值模拟模型

4．4　结果分析

对试验进行极差分析^［7］，见表3。

表3　各因素对各指标的影响

从极差分析可知：

各施工参数对拱顶围岩最大变形的敏感性顺序为：CDBA。其中，掌子面超前加固长度、密度对洞顶围岩变形没有多大影响。

各施工参数对掌子面最大纵向位移的敏感性顺序为：DABC。

综合分析得出如下结论：各施工参数对掌子面的稳定都有比较大的影响；掌子面的超前加固密度和长度对掌子面的稳定性影响很大，对拱顶围岩最大变形没有多大影响；开挖步长越大，掌子面越稳定，隧道拱顶变形越大；隧道轮廓线外的超前加固对拱顶围岩最大变形影响很大，对掌子面稳定也有比较大的影响；小管棚比大管棚在控制拱顶围岩变形方面作用明显。

采用综合平衡法，结合现场实际情况，选取最优施工参数为：开挖步长为1．8 m，掌子面超前加固密度为每4 m²一根，加固长度取为5 m＋18 m（GFRP）锚杆（插花布置），大小管棚。

4．5　验证试验

根据最优施工参数建立数值分析模型，得到隧道掌子面纵向最大位移为23．895 mm，拱顶围岩最大变形30．480 mm。

5　结　论

基于正交试验原理，对大断面隧道施工稳定性进行了研究，主要结论如下：

①该方法在武广客运专线浏阳河隧道施工参数选取中成功应用。需要9次试验，只相当于全面试验方法试验次数的1/9，就得到了最优施工参数，从而大大提高了数值模拟分析效率。

②各施工参数对掌子面稳定性都有比较大的影响，其中影响显著的是开挖步长、掌子面超前加固长度和密度；对拱顶围岩变形影响显著的是掌子面轮廓线外超前加固方式和开挖步长。同时，由于开挖步长越大掌子面越稳定，但是拱顶变形越大，所以开挖步长必须控制在合理范围内。

③小管棚在控制拱顶围岩变形的作用上优于大管棚，但在实际施工过程中，大管棚对控制洞顶围岩的坍塌变形和掌子面稳定方面效果更明显。

④基于正交试验原理的大断面隧道施工参数的优化设计方法对其他大断面隧道有借鉴意义。

参考文献

［1］朱万成，唐春安，黄明利．基于正交试验原理的锚喷参数设计系统及其应用［J］．岩土力学，1999，20（2）．

［2］邢厚俊．对客运专线铁路隧道施工稳定性判据的思考［J］．铁道建筑，2006（12）．

［3］朱永全．隧道稳定性位移判别准则［J］．中国铁道科学，2001，22（6）．

［4］赵选民．试验设计方法［M］．北京：科学出版社，2006．

［5］徐超，叶观宝．应用正交试验设计进行数值模型参数的敏感性分析［J］．水文地质工程地质，2004（1）：95-97．

［6］H．Hakami．Rock characterization facility（RCE）shaft numerical computations using FLAC［J］．Inter-national Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001（38）：56-59．

［7］张向东，岳嫣，等．正交试验设计在基坑工程数值模拟中的应用［J］．科学技术与工程，2007，7（14）．