山区公路隧道零开挖支护系统的适应性分析：以遂大高速公路为例的案例研究

《Advances in Materials Science and Engineering》：Adaptability Analysis of Zero-Excavation Support System for Mountain Road Tunnels: A Case Study Based on Sui–Da Expressway

零开挖隧道技术优势及适应性分析：基于苏某高速隧道工程的三维有限元模型，采用强度折减法对比传统坡切法，发现零开挖在边坡稳定性（安全系数1.84 vs 1.6）、生态保护及经济性方面更优，0米方案最佳。研究揭示了管幕支护长度与地质条件适配机制，提出动态调整支护参数策略。

　　零挖掘隧道技术作为一种新兴的隧道施工方式，因其绿色环保、低碳节能、施工安全以及对山体的干扰较小等优点，逐渐受到广泛关注。该技术通过合理利用自然地形，结合外部管棚引导墙和科学的管棚延伸设计，将开挖与封闭区域的边界向外移动，从而显著减少直接开挖量和对山体的破坏。本文以遂大高速公路某隧道项目为背景，采用Abaqus数值模拟平台建立三维有限元模型，通过强度折减法对零挖掘隧道技术的适用性进行了全面评估，并与传统的开挖坡面施工方法进行了对比分析。研究结果表明，相较于传统方法，零挖掘隧道技术在施工安全、减少生态破坏以及经济效益方面表现出明显优势，尤其是在开挖深度为0米的方案中，其综合性能最优。

在传统隧道施工中，开挖坡面常导致高边坡的形成，从而增加塌方和结构不稳定的风险。此外，过长的管棚设计会带来不必要的延伸，增加施工成本，而对安全性的提升有限。零挖掘技术通过减少对山体的直接扰动，能够有效控制地层变形，同时降低对植被和周边居民生活的影响。该技术的推广和应用不仅有助于实现更环保的隧道施工，还能为类似工程提供科学依据和技术指导。

本研究基于实际工程背景，通过数值模拟方法对零挖掘隧道技术的机械行为和适应性进行了深入探讨。在实际施工中，零挖掘技术的应用仍然面临一定的挑战，尤其是在复杂地质条件下，需要更详尽的地质调查和更精确的数值模拟来确保施工方案的科学性和可行性。此外，管棚位置的优化设计在施工安全和经济性方面具有重要作用，但目前的设计方法仍主要依赖经验判断，缺乏系统的理论支撑。因此，未来的研究应进一步完善零挖掘技术的理论框架，发展更高效的数值模拟技术，以提高对地层变形和支护结构应力的预测精度，并结合实际工程案例进行深入研究，从而为隧道工程提供更具针对性的技术指导。

在具体施工过程中，隧道的围岩变形、支护结构的应力变化以及地面沉降是评估施工安全的重要指标。本文通过数值模拟，对不同施工阶段的地面沉降、拱顶沉降和边墙收敛等参数进行了系统分析。模拟结果显示，随着开挖深度的增加，围岩的变形趋势逐渐明显，尤其是在传统开挖坡面施工条件下，地层变形更显著，容易引发滑坡等灾害。相比之下，零挖掘施工方法能够有效减少地层扰动，降低变形速率，从而提高施工安全性。此外，通过对比模拟数据与现场监测数据，发现零挖掘施工的模型结果与实际变形趋势基本一致，误差控制在合理范围内，表明该模型具有一定的适用性。

在隧道入口区域，围岩的稳定性尤为关键。通过采用强度折减法，对不同管棚位置下的施工安全性进行了系统评估。研究发现，当管棚位置设置为0米时，其安全系数达到1.84，显著高于传统施工方法的1.6。这表明，零挖掘施工方式在一定程度上能够更好地保持围岩的稳定性，减少潜在的滑坡风险。而在某些特殊工况下，如管棚延伸至-5米或10米时，虽然能一定程度上控制围岩变形，但其施工成本较高，且对安全性的提升有限。因此，在工程实践中，需根据具体的地质条件和施工需求，合理选择管棚的位置，以实现施工安全与经济性的最佳平衡。

本研究还分析了不同管棚延伸方式对隧道施工过程的影响。结果显示，零挖掘施工方法在保持围岩稳定性和控制地层变形方面表现突出，能够有效减少施工过程中对山体的扰动。而传统的开挖坡面施工方式则因开挖深度较大，导致围岩承载能力下降，容易出现局部塑性变形，甚至引发整体失稳。此外，现场监测数据显示，随着施工的推进，地面沉降和拱顶沉降均呈现出加速发展的趋势，但随着施工接近完成，变形速率逐渐趋于稳定。这一趋势表明，施工过程中围岩的应力和变形具有一定的演化规律，且在后期趋于稳定状态。

为了进一步验证模型的准确性，本文将现场监测数据与模拟结果进行了对比分析。结果显示，现场监测数据与模拟数据在总体趋势上基本一致，但在具体数值上存在一定的偏差。这些偏差可能来源于模型的理想化假设、监测点布置的差异以及施工过程中的扰动因素。尽管如此，误差仍控制在可接受范围内，表明模型在一定程度上能够反映实际施工条件。此外，通过分析不同施工阶段的围岩塑性区分布，发现零挖掘施工方式能够更有效地控制塑性区的扩展，从而提高施工安全性。

在隧道施工过程中，管棚的布置方式对围岩的稳定性具有重要影响。本文通过数值模拟，分析了不同管棚位置对施工安全的影响。结果显示，零挖掘施工方案在安全性与经济性方面表现最佳，而传统施工方法由于形成高边坡，导致塌方和不稳定风险增加。同时，过长的管棚延伸虽然能提供额外的支撑，但其经济成本较高，且对施工安全的提升有限。因此，在实际工程中，应根据地质条件和施工需求，合理选择管棚位置，以实现施工安全与经济性的最佳平衡。

此外，本文还探讨了零挖掘技术在不同地质条件下的适应性。例如，在软岩区域，由于地层变形和塌方风险较高，应缩短管棚间距并控制注浆压力；在硬岩区域，由于应力释放可能导致裂隙形成，需调整管棚长度和爆破参数；而在断层破碎带等复杂地质条件下，应结合前期地质预报和实时监测数据，动态调整管棚长度和注浆参数，以提高施工安全性和经济性。这些措施不仅有助于减少施工过程中的地质风险，还能有效降低对生态环境的破坏。

总体而言，零挖掘隧道技术在山体隧道施工中展现出良好的适应性和应用前景。它能够有效减少施工对自然环境的干扰，提高施工安全性，同时兼顾经济性。然而，在推广和应用过程中，仍需进一步完善理论体系，优化施工方案，并结合具体工程条件进行深入研究。未来的研究应关注如何提高零挖掘技术在复杂地质条件下的适用性，发展更高效的数值模拟方法，以及探索更科学的管棚位置优化策略，以推动该技术在隧道工程中的广泛应用。