长水机场下穿隧道悬臂掘进机施工路径规划及围岩损伤特征分析

doi:10.3973/j.issn.2096-4498.2025.06.003

隧道建设（中英文） ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (6): 1076-1089.DOI: 10.3973/j.issn.2096-4498.2025.06.003

长水机场下穿隧道悬臂掘进机施工路径规划及围岩损伤特征分析

薛亚东¹, 张庆雨¹, 郭永发^{2, *}, 丁文云²，杨进京²，康殿海³

（1. 同济大学土木工程学院岩土工程系，上海 200092； 2. 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明 650200； 3. 南京世纪智探科技有限公司，江苏南京 210000）

出版日期:2025-06-20 发布日期:2025-06-20
作者简介:薛亚东（1971—），男，山西芮城人，2002年毕业于中国石油大学，油气井工程专业，博士，研究员，现从事地下工程与隧道工程领域的教学和科研工作。 E-mail： yadongxue@tongji.edu.cn。 *通信作者：郭永发， E-mail： 524965753@qq.com。

Cantilever Roadheader Construction Path Planning and Surrounding Rock Damage Analysis in a Tunnel Crossing Beneath Changshui Airport

XUE Yadong¹, ZHANG Qingyu¹, GUO Yongfa^{2, *}, DING Wenyun², YANG Jinjing², KANG Dianhai³

(1. Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Kunming Survey and Design Research Institute Co., Ltd., Kunming 650200, Yunnan, China; 3. Nanjing Century Zhitan Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu, China)

Online:2025-06-20 Published:2025-06-20

摘要/Abstract

摘要： 针对大断面机场下穿隧道施工中爆破法扰动围岩的技术难题，以渝昆高铁长水机场隧道为依托，提出基于悬臂掘进机法的低扰动施工路径规划与围岩损伤演化分析方法。基于FLAC3D软件构建三维数值模型，采用分块多步开挖法模拟悬臂掘进机渐进开挖过程，通过渐进释放围岩荷载，精确表征机械开挖的低扰动特性。结合现场松动圈测试与孔内光学摄像，构建数值模拟与工程实测的交叉验证机制，重点分析悬臂掘进机施工路径及Ⅲ—Ⅴ级围岩条件下位移场、应力场及塑性区的时变特性。研究表明： 1)分块多步开挖法可有效模拟悬臂掘进机渐进式开挖特性，数值模拟结果与现场测试数据吻合度高，证实了该方法的科学性及适应性。2）相比于常规掘进路径，分块掘进路径可降低Ⅴ级围岩的拱顶沉降21.7%，有效控制围岩变形。3）围岩损伤特征呈现显著等级相关性，Ⅲ、Ⅳ级围岩损伤集中于隧道轮廓附近，塑性区以拉伸破坏为主；而Ⅴ级围岩损伤范围扩大，剪切破坏占比显著增加。

关键词: 悬臂掘进机, 机场下穿隧道, 围岩损伤, 松动圈测试, 数值模拟, 路径规划

Abstract: Blasting excavation of large cross-section tunnels beneath airports causes significant disturbance to surrounding rock masses. This study focuses on the Changshui Airport tunnel, part of the Chongqing-Kunming high-speed railway, and proposes a low-disturbance path planning and damage evolution method based on cantilever roadheader excavation. A three-dimensional numerical model is developed using FLAC3D to simulate progressive excavation via a segmented multistep method, which incrementally releases rock stress and captures the low-disturbance characteristics of mechanical excavation. Field validation is conducted using loosened zone tests and borehole optical imaging, establishing a cross-validation system between simulations and measurements. Time-dependent behaviors of displacement, stress, and plastic zones are analyzed for Grade Ⅲ to Ⅴ surrounding rock during excavation. The main findings are: (1) The segmented multistep method effectively simulates roadheader excavation, and numerical results align well with field observations, validating the approach′s scientific basis and adaptability. (2) Compared with conventional excavation, the segmented method reduces crown settlement by 21.7% in Grade Ⅴ rock, indicating superior deformation control. (3) Damage exhibits clear grade dependence, in Grades Ⅲ and Ⅳ, tensile-dominated plastic zones concentrate near tunnel boundaries; in Grade Ⅴ, damage is more extensive and governed by shear failure.

Key words: cantilever roadheader, tunnel crosses beneath airport, surrounding rock damage, loose zone test, numerical simulation, path planning

薛亚东, 张庆雨, 郭永发, 丁文云, 杨进京, 康殿海. 长水机场下穿隧道悬臂掘进机施工路径规划及围岩损伤特征分析[J]. 隧道建设, 2025, 45(6): 1076-1089.

XUE Yadong, ZHANG Qingyu, GUO Yongfa, DING Wenyun, YANG Jinjing, KANG Dianhai.

Cantilever Roadheader Construction Path Planning and Surrounding Rock Damage Analysis in a Tunnel Crossing Beneath Changshui Airport [J]. Tunnel Construction, 2025, 45(6): 1076-1089.

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长水机场下穿隧道悬臂掘进机施工路径规划及围岩损伤特征分析

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