大型机械施工时隧道围岩稳定性分析

大型机械施工时隧道围岩稳定性分析

刘一剑

中交路桥南方工程有限公司

摘要：在现代大规模的隧道工程建设中，机械化程度普遍较高，机械设备的优化配置，能够在提高施工效率的基础上加快施工进度，但是大型机械施工阶段，也可能产生对隧道围岩稳定性的影响。因此，需加强对大型机械施工时隧道围岩稳定性的分析，提高机械设备操作与现场情况的适应性，将机械设备的作用充分发挥，提高隧道工程施工质量。

关键词：大型机械施工；隧道围岩；稳定性

1大型机械施工操作中对隧道围岩稳定性的影响

首先，大型机械施工时产生的振动会传导到围岩结构中，引起围岩的振动，振动力的大小与机械设备的类型、施工方式和振动频率等因素有关，长期的振动作用会导致围岩的松动和破碎，特别是对于脆性围岩来说，振动会导致围岩的开裂和破碎，振动还可能导致围岩的位移和变形，进而降低围岩的稳定性；其次，大型机械施工时施加在围岩上的力会改变围岩的应力状态，例如推进机在向隧道推进时，会对围岩施加水平推力，导致围岩的应力分布发生变化，这种应力改变可能会引起围岩的位移和变形，增加围岩破裂及塌方的可能性。由于挖掘和开挖作业的影响，围岩中的应力会重新分布，原本平衡的应力状态被破坏，必定导致围岩破裂、变形，使围岩的稳定性降低，而应力重分布的大小与挖掘深度、围岩的强度和应力状态等因素有关。如果应力重分布过大，就会导致围岩的破坏和变形；第三，大型机械施工过程中进行挖掘、开挖作业时，会引起土体的位移和变形，进而产生土压力。土压力会对围岩施加压力，使围岩产生变形和破裂，从而影响围岩的稳定性，土压力的大小与挖掘深度、土体性质和支护方式等因素有关，如果土压力超过围岩的承载能力，就会导致围岩的塌方和坍塌。

2大型机械施工时隧道围岩的稳定性分析

2.1运用强度折减法分析围岩稳定性

在隧道工程施工中，不同的环节所配置的机械设备也有所差异，机械化施工逐渐成为重点及难点，但是隧道工程本身就具有复杂性、特殊性，对设备操作的要求高，如果机械设备的选型不合理，或存在操作不规范等问题，不仅会降低施工质量，还可能导致现场被埋下安全隐患。例如应用三臂凿岩车，可通过配备全套大型机械设备，高效推进全断面的机械化作业，采取爆破开挖方式，以满足隧道开挖及施工要求，但是这种方式的一次性开挖断面大，具有较高的安全风险，也易因机械施工而出现围岩变形问题。围岩稳定性是隧道工程中的一个关键问题，直接影响到工程的安全性和可靠性，通过对其稳定性进行分析，是明确定岩体是否能够承受外部荷载并保持稳定的过程。强度折减法是一种基于强度理论的分析方法，通过考虑围岩中的强度降低因素，来预测围岩的破坏行为，强度降低因素可以包括围岩的裂隙、节理、岩体变形等，在强度折减法中，将围岩的强度进行折减，并结合荷载情况进行分析，从而得出围岩的稳定性评估结果。

通常情况下，剪切及拉裂都属于围岩的常见破坏模式，在隧道工程建设中受压是主导，通过运用强度折减法，能够凸显出围岩在受压状态下抗剪强度下降的特点，与实际受力情况高度相符。基于强度折减法分析围岩稳定性时，需结合规范依据，提高分析的准确性。判断围岩失稳的依据主要为：隧道围岩塑性区域贯通、隧道围岩稳定性计算无法收敛和隧道围岩特征位置位移发生突变。但是由于塑性区贯通会降低强度折减系数，围岩计算不收敛极易受到工作人员思想的影响，大多数的工程项目都可选择特征位置位移发生突变，对隧道围岩稳定性状态进行分析。在实际分析阶段，可运用软件进行仿真模拟，依照隧道工程的具体情况，设置模型尺寸，将隧道跨度、高度及埋置深度等参数导入到软件中，准确定位位移监测的特征位置。隧道可运用不同厚度及型号的混凝土进行初支、二衬，如果隧道未支护，通过监测可以发现，在强度折减系数增加时，监测点对应的竖向位移及水平位移都会随之上升，而强度折减系数较小时，各监测点的位移情况都基本保持一致。但是当强度折减系数不断增加并超出相应标准时，监测点的竖向位移及水平位移将出现明显的差异，其位移值也会发生突变，在判断隧道围岩稳定性时，就可将根据突变情况确定围岩的安全系数。通过对位移值的变化规律进行研究不难发现，隧道拱腰及边墙的水平位移对强度折减系数的变化具有敏感性，在大型机械全断面施工阶段，需将拱顶及拱肩部位的竖向位移监测纳入到重点范畴，拱腰及边墙部位则要加强水平位移监测。

而隧道初支后，强度折减系数与监测点竖向、水平位移的变化参数成正比关系，其强度折减系数越高，位移量也会增加。当强度折减系数较小时，各监测点的位移变化并不显著，强度折减系数同样会在达到相应值时，监测点的竖向及水平位移值将出现突变，呈现出明显增大特点。因此，初次支护隧道围岩的安全指数要明显高于未支护项目，基于有效的初支措施，能够提高隧道围岩的稳定性，在大型机械全断面法施工时,应当特别注意加强拱顶、拱肩部位的竖向位移监测以及拱腰、边墙部位的水平位移监测。因此，在隧道工程施工中应用大型机械设备时，需根据监测数值变化，明确围岩的稳定性情况，调整机械设备的操作方案，以免因操作不当而降低隧道围岩的稳定性，埋下安全隐患。

2.2隧道大型机械化配套施工工艺

（1）洞身开挖

长达隧道的钻爆法施工阶段，需根据施工要求及现场情况，选择应用与之配套的大型机械设备，减轻施工人员的作业压力及强度，可采取光面爆破方式，对超欠挖进行严格控制，初期支护喷射混凝土需运用湿喷工艺。为了满足大型机械化施工要求，隧道需采取大断面为主的施工方法，按流程超前支护，开挖中要结合地质情况及围岩等级，运用全断面法施工。常规性的区域，可运用全断面法或微台阶法进行施工作业，钻孔时要配备三臂凿岩台车，出砟采取无轨运输，由装载机及自卸车装运。如果围岩破碎、掌子面稳定性差，则要加强对超前管棚、超前注浆等预加固技术的应用，同时辅助运用注浆加固、设置玻璃纤维锚杆等措施，提高施工阶段的安全性。

（2）大型机械化微台阶掘进施工

大型机械化微台阶掘进施工中，需按要求做好前期准备工作及超前地质预报工作，通过监控量测明确掌子面的稳定性，若不稳定要及时对其进行超前支护，而后再进行测量，对上下台阶及仰拱钻眼，装药、爆破，做好此阶段的通风排烟工作，而后再初喷、出渣，对开挖面进行检查，有序进行初期支护、初支面处理等各项作业，经过检查确定无问题后，再进行衬砌施工及养护作业。在施工中应选择适合微台阶掘进的大型机械设备，如掘进机、隧道推进机等，这些设备应具备稳定的性能和强大的推进力，能够适应不同的地质条件和开挖要求。对微台阶掘进施工进行严格的管理和监控，包括施工进度的控制、设备的维护和保养、岩层的检测和预警等。及时发现和解决问题，确保施工的安全和质量。

3结束语

综上所述，在隧道工程大规模建设的同时，施工技术水平也在逐步提高，并向着机械化、信息化方向发展，通过应用大型机械配套设备进行施工作业，能够在加快施工进度的同时，提高施工质量，但是机械设备施工中也能够产生对隧道围岩稳定性的影响，应根据现场情况选择适宜的机械设备施工方法，以推动施工作业的顺利进行，保证施工操作的规范性及可靠性。

参考文献：

[1]周耀.断层破碎带内隧道施工围岩稳定性研究[J].砖瓦世界, 2020, 000(014):244.

[2]张亚强.断层破碎带内隧道施工围岩稳定性分析[J].内蒙古煤炭经济, 2022(03):61-63.

[3]向武松.软弱围岩隧道喷锚支护开挖时的围岩稳定性分析[J].中国公路, 2022(05):96-97.