马智理 佘婷婷 赵婷
基金项目：贵阳人文科技学院2022年度科研基金项目（2022rwjs048）
第一作者简介：马智理（1994-），男，硕士，工程师。研究方向为隧道工程。
*通信作者：佘婷婷（1995-），女，硕士，工程师。研究方向为结构工程。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.019
摘 要：该文主要分析施工前、后的围岩应力状态和围岩抗剪安全系数指标，施工过程中距离隧道轴线4、8 m处，距离拱腰1、3、4、5 m的最大和最小主应力和围岩抗剪安全系数。并得出最大、最小主应力的影响范围在距拱腰0～4 m内。施工完成后距离拱腰越近，围岩的抗剪安全系数越大，并且距离拱腰0～3 m安全系数降低，在3 m以后安全系数增加。综合比较得出三台阶法施工对围岩的扰动性最小。
关键词：悬臂掘进机；大小主应力；抗剪安全系数；施工工法；浅埋隧道
中图分类号：U25 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）15-0087-05
Abstract： This paper mainly analyzes the stress state of surrounding rock and the index of shear safety factor of surrounding rock before and after construction， the maximum and minimum principal stress and the shear safety factor of surrounding rock 1， 3， 4 and 5 m away from tunnel axis 4 and 8 m during construction. It is concluded that the influence range of the maximum and small principal stress is within 0～4 m from the arch waist. After the completion of the construction， the closer to the arch waist， the greater the shear safety factor of the surrounding rock， and the safety factor is decreasing at the distance of 0～3m from the arch waist， and the safety factor is increasing after 3 m. By comprehensive comparison， it is concluded that the disturbance of the three-step construction to the surrounding rock is the least.
Keywords： cantilever roadheader; principal stress; shear safety factor; construction method; shallow tunnel
2018年交通运输行业发展统计报告中指出，全国铁路里程达到13.1万km，比2017年增长3.1%，全国铁路路网密度为136 km/万km2，比2017年增加2%，公路隧道总里程484.65万km，比2017年增加7.31万km[1]。随着铁路和公路里程的逐渐增加，对于一些特殊的地质情况，传统的施工方法不能满足实际的工程需要，而悬臂掘进机适用范围广，施工方便快捷，并且主要采用台阶法进行施工[2-4]。采用悬臂掘进机可以适应大多数隧道施工。本文主要研究不同施工方法前后围岩的应力变化[5-6]和围岩的抗剪安全系数[7]，从而分析围岩的自稳情况。
1 我国悬臂掘进机的发展概况
我国悬臂掘进机的发展是从引进、消化吸收和自主研制3个阶段。我国悬臂掘进机的研制是从20世纪60年代以40 kW左右小功率掘进机为主，掘进机的研发和使用都是处于试验阶段，并且大部分的掘进机都是外国引进机型，这种情况一直持续到20世纪70年代末。20世纪80年代初我国引进奥地利的A-500等机型，通过对国外先进技术的引进、吸收、消化，推动了我国悬臂掘进机技术的研发和掘进机的使用，为我国悬臂掘进机的发展打下了良好的基础。20世纪90年代是悬臂掘进机发展最快的一个阶段，此阶段主要是我国自主研发阶段，中型掘进机在此阶段技术相应成熟，重型掘进机也相应出现，并且能够研制截割硬度不超过80 MPa的掘进机，在这一时期形成了多个系列产品，如EBJ（Z）系列、S系列、如EBZ系列掘进机。
2 隧道施工相关理论
2.1 隧道施工前后围岩的应力变化
隧道施工后将会对一定范围内的岩体引起应力重分布（第1阶段），应力重分布的情况下，围岩会产生一定的位移和局部的松弛（第2阶段），在这种情况下持续发展，隧道会在局部产生破坏（第3阶段），在局部破坏的基础上随着时间的发展造成整体垮塌（第4阶段）。通常在长期的工程和实践中，隧道未施工前为第1次应力状态，施工后应力重分布形成第2次应力状态，如果此时隧道为稳定状态就不需要进行相应的支护，俗称毛洞，如果隧道不稳定就需要及时进行支撑，在进行支护以后使其稳定，最后形成第3次应力状态[8]。
2.2 应力强度准则
最大剪应力理论中，引起材料破坏的主要因素是最大剪应力，材料处于复杂的应力状态下，危险点的最大剪应力τmax大于材料的极限τ0，材料会破坏。最大剪应力为
2.3 围岩抗剪安全系数
取岩石的抗剪安全系数进行研究，拱腰部位的抗剪安全系数进行分析，本文只研究未加衬砌时围岩的抗剪安全系数和围岩抗剪安全系数的变化
式中：Ka为岩石抗剪安全系数；？渍为摩擦角；c为凝聚力；σ1、σ3为第一和第三主应力。
3 数值模拟
3.1 悬臂掘进机施工围岩的大小主应力变化
由前所述，整个隧道存在着初始应力场，并且随着埋深的增加初始应力也会相对增加。初始应力场由自重应力和构造应力2部分组成。为了充分发挥围岩的稳定性，在不加支护的基础上，本文采取ABAQUS（工程模拟的有限元软件），进行模拟隧道施工。模型采用60 m×60 m×20 m，埋深8 m，隧道的材料见表1。隧道的断面如图1所示（其中R1、R2、R3、R4代表隧道三圆半径长，单位mm）。
ABAQUS计算精度较高，本模拟采取控制生死单元法[9]，对模型的网格要求较高。模拟过程中采取3个步骤，第1个步骤进行施加重力，计算整个模型在重力下的情况。第2个步骤采取预应力平衡，采取预应力平衡以后模型的位移会相对减小（模拟真实情况下的位移）。第3个步骤施工，模拟全断面、二台阶法、三台阶法施工，研究离隧道轴线4、8 m处离拱腰1、3、4 、5 m的应力和位移变化。隧道施工部分应力释放中，本文采取释放的系数为45%。其相应的弹性模量从0.318 GPa释放到0.19 GPa，摩擦角和泊松比也相应地减少。
隧道施工距离隧道轴线4 m处各施工方法围岩最大主应力变化如图2—图4所示，8部位如图5—图7所示。
图1 隧道断面
距隧道轴线4 m，施工引起应力释放会对距离拱腰1 m的位置的最大主应力减小。施工过程中距离拱腰越远，最大主应力减小的越少。最大主应力在4 m处施工过程中会逐渐减小，在5 m处会逐渐增加，隧道施工的影响范围0～4 m之间。分析不同施工方法的最大主应力变化可以得出，三台阶法施工对拱腰的影响较小，最大主应力变化缓慢，施工过程中对隧道围岩扰动最小，二台阶法施工应力变化幅度相对增大，围岩的稳定性对围岩的扰动次之，全断面施工则相对对围岩的稳定性影响较大，根据施工情况可采取相应的超前支护进行维护。
距隧道轴线8 m处在施工第1个阶段应力释放会对距拱腰1 m的位置引起最大主应力减小，对1 m以后的位置相应没影响。已施工完成的断面在施工时效下产生的沉降对后续施工有一定的影响，是以三台阶法施工最为明显，已产生的沉降对后续施工拱腰部位的最大主应力有一定的减缓作用，在实际工程中已不考虑其作用。
隧道施工距离隧道轴线4 m各施工方法围岩最小主应力变化如图8—图10，8 m部位如图11—图13。
隧道施工距隧道轴线4 m在施工过程中最小主应力最大主应力变化不同，最小主应力影响范围在0～5 m之内，最小主应力则在0～3 m之内。通过距隧道轴线4 m、8 m的最小主应力变化同样可以得出，应力释放对隧道轮廓线越近影响越大，越远影响越小。已施工完成的断面在施工时效下产生的沉降对后续施工有一定的影响，尤其是以三台阶法施工最为明显，已产生的沉降对后续施工拱腰部位的最小主应力有一定的减缓作用。
3.2 施工过程中的抗剪切分析
隧道施工距离隧道轴线4 m处各施工方法围岩抗剪安全系数变化如图14—图16所示，8 m部位如图17—图19所示。
在施工完成后，距离拱腰越近围岩的抗剪安全系数越大，围岩的安全性就越低。距离隧道拱腰1 m的围岩抗剪安全系数中，三台阶法比二台阶法、二台阶法比全断面施工数值小，可以得出三台阶法施工对隧道围岩扰动小。在施工0～8 m的过程中，对此时拱腰围岩的抗剪强度是逐渐增加的，在施工8 m以后的隧道掌子面，距离拱腰1～3 m的位置，抗剪强度在逐渐减小，在3 m以后的围岩抗剪强度逐渐增加，已施工0～8 m的毛洞会对距离拱腰1～3 m内围岩的抗剪强度减小略有减缓作用，以三台阶法施工最为明显。距隧道轴线4、8 m处拱腰抗剪强度可以得出，已施工完成的毛洞对后方的拱腰部位的抗剪强度都有增加的作用，尤其是以距离拱腰1 m位置最为明显。并且在施工到距隧道轴线8 m，拱腰1～3 m的围岩抗剪安全系数在增加，在3 m以后围岩的抗剪安全系数在减小。
4 结束语
在施工过程中，施工部分的应力释放会对距离拱腰1 m左右的位置最大、最小主应力会引起相应减小。施工过程中距离拱腰越远，最大、最小主应力减小的越少。隧道施工对最大主应力的影响范围在0～4 m内。分析不同施工方法的最大、最小主应力变化可以得出，三台阶法施工对拱腰的影响较小，并且已施工完成的毛洞对掌子面后方即将施工的土体，在施工过程中对最大主应力的减小有减缓作用。在施工完成后距离拱腰越近，围岩的抗剪安全系数越大。在施工的过程中，在距离拱腰0～3 m内，围岩的抗剪安全系数在增加，3 m以外在减小。施工过程中，围岩抗剪的影响范围在距拱腰0～3 m内。分析不同方法施工对围岩的抗剪安全系数影响可以得出，三台阶法施工对围岩的抗剪能力影响最小，对提高围岩的稳定性具有一定的作用。
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