杉樹坳隧道臺階法開挖初期支護(hù)變形規(guī)律分析

馬顯紅

(貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州 貴陽 550004)

杉樹坳隧道臺階法開挖初期支護(hù)變形規(guī)律分析

馬顯紅

(貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州 貴陽 550004)

以杉樹坳隧道工程為背景，分析了臺階法施工的拱頂下沉規(guī)律，主要是臺階法襯砌變形與開挖施工進(jìn)度的關(guān)系，探究應(yīng)力釋放過程，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，上臺階開挖導(dǎo)致拱頂沉降量達(dá)到總沉降量的70%以上，進(jìn)而得到施工過程中的應(yīng)力釋放系數(shù)。將此應(yīng)力釋放系數(shù)應(yīng)用于有限元模型計算，把數(shù)值計算成果與拱頂下沉實測值進(jìn)行了比較，證明了該模型能夠較為準(zhǔn)確地反映上下臺階開挖對初期支護(hù)變形的影響，從而為臺階法開挖的數(shù)值模擬以及施工過程的控制提供依據(jù)。

臺階法 初期支護(hù) 變形規(guī)律 應(yīng)力釋放系數(shù) 有限元法

臺階法施工由于多步開挖、多次爆破，反復(fù)發(fā)生應(yīng)力再分配對圍巖造成擾動破壞，隧道周邊變形伴隨每步開挖都出現(xiàn)較顯著的增長［1］。為實現(xiàn)對施工過程的控制，研究臺階法施工圍巖的變形規(guī)律影響至關(guān)重要。拱頂下沉由于其量測方法簡單可靠，可明顯反饋圍巖和初期支護(hù)的變形和穩(wěn)定情況，且受施工步驟影響較大，可對隧道圍巖變形的穩(wěn)定性進(jìn)行及時評價，為二次襯砌提供合理的施作時機(jī)，并可對變形較大的圍巖段及時預(yù)測預(yù)警，因此，拱頂下沉成為隧道變形穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵指標(biāo)。

關(guān)寶樹、施成華、劉寶琛等［2-6］分別總結(jié)了淺埋暗挖法施工中沿隧道軸線縱向的下沉動態(tài)規(guī)律;張頂立等［7］通過對深圳地鐵一期工程部分區(qū)間隧道拱頂下沉的回歸分析，并通過數(shù)值模擬驗證，認(rèn)為隧道拱頂下沉過程遵循指數(shù)函數(shù)的關(guān)系;姜德義等［8］基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了隧道拱頂下沉的時序預(yù)測模型。這些研究在隧道施工中拱頂下沉規(guī)律及預(yù)測方面取得了一定成果，但都沒有涉及將拱頂下沉與臺階法施工相聯(lián)系，從而探究臺階法施工對拱頂下沉量的影響。

本文根據(jù)杉樹坳隧道拱頂下沉與上下臺階之間的相互關(guān)系探究應(yīng)力釋放過程，得到相應(yīng)施工過程中的應(yīng)力釋放規(guī)律，作為臺階法開挖施工過程的依據(jù)。

1 工程背景

杉樹坳隧道位于廈蓉高速公路(貴州境)水口至榕江格龍段，為分離式長隧道，左線長2 445 m，最大埋深232 m;右線長2 412 m，最大埋深225 m。隧道區(qū)處于貴州高原東南緣，地勢西高東低，屬構(gòu)造侵蝕型中低山溝谷地貌。隧道軸線穿越地層為南沱組一段，巖性為薄～中厚層變余砂巖，局部夾含礫板巖。地下水主要沿基巖面及風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙及結(jié)構(gòu)面向低洼處滲流，雨季水量較大。

隧道采用新奧法原理設(shè)計，根據(jù)地質(zhì)條件采取了上下臺階法進(jìn)行開挖，初期支護(hù)采用了錨噴支護(hù)。

本文選取兩個典型斷面YK42+681、YK40+379，分別位于杉樹坳隧道右線進(jìn)口、出口段，圍巖為灰色強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖，整體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，YK42+681圍巖級別為Ⅴ級，YK40+379為Ⅵ級。

2 拱頂下沉監(jiān)測布置情況

拱頂下沉是隧道拱頂內(nèi)壁的絕對下沉量。拱頂是隧道周邊的一個特殊部位，擾度最大，拱頂?shù)南鲁燎闆r具有較強(qiáng)的代表性和顯示作用。拱頂下沉量主要是監(jiān)視拱頂下沉，了解斷面的變形情況，判斷拱頂?shù)姆€(wěn)定性，防止塌方等風(fēng)險事故的發(fā)生。本隧道拱頂下沉監(jiān)測實施情況如下。

每個量測斷面的拱頂中心用小型鉆機(jī)鉆5 cm左右深的小孔，然后把孔徑相同的膨脹螺絲鉤塞到孔中，用扳手將膨脹螺鉤擰緊，作為前視點掛鉤(G1，G2，G3)，見圖1。同法在距測點30 m以外的相對穩(wěn)定的初期支護(hù)上布置一后視測點掛鉤。在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)，初讀數(shù)在開挖后12 h內(nèi)讀取，最晚不超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值讀數(shù)。

圖1 洞內(nèi)斷面測點布置(拱頂下沉測點：G1，G2，G3)

在量測斷面的拱頂中心及隧道兩側(cè)距中心0.5 m范圍各設(shè)一個測點，先用小型鉆機(jī)在待測部位成孔，用全站儀進(jìn)行量測，在掛鉤上安裝反光貼片，后視點設(shè)置在相對穩(wěn)定的二次襯砌斷面上。

量測頻率按《公路隧道施工規(guī)范》執(zhí)行［9］，如表1所示。

表1 隧道拱頂下沉監(jiān)測頻率

3 拱頂下沉量測數(shù)據(jù)分析

3.1 YK42+681監(jiān)測斷面

上臺階掌子面開挖過4 m后布置拱頂下沉監(jiān)測斷面YK42+681，此時下臺階掌子面距離監(jiān)測斷面36 m。施工過程中，上下臺階掌子面保持30～40 m的距離，施工時間差約為30 d。拱頂下沉測點沉降值隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 Y K42+681初期襯砌拱頂沉降量隨時間變化曲線

由圖2可見，上臺階開挖后，受施工爆破擾動影響，拱頂各個測點下沉明顯，隨著掌子面的繼續(xù)推進(jìn)和時間的推移，監(jiān)測10 d后下沉速度減小，變形漸趨平穩(wěn)。中間測點G2沉降量于上臺階掌子面距離超過監(jiān)測斷面3D時開始處于穩(wěn)定值，為10～11 mm，這一過程中的變形占總變形量的74.5%。當(dāng)下臺階掌子面開挖至距離監(jiān)測斷面10 m遠(yuǎn)時，施工爆破造成監(jiān)測斷面處的圍巖又一次的擾動和應(yīng)力重分布，拱頂下沉再次出現(xiàn)較大增長。中間測點G2沉降值于下臺階掌子面超過監(jiān)測斷面5D處時達(dá)到最大值，為18 mm，下臺階開挖一周后，隨著下臺階掌子面的遠(yuǎn)離，拱頂下沉變化速率逐漸減緩，下沉量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并略有回升趨勢。這一過程中的變形占總變形量的25.5%。

拱頂下沉監(jiān)測斷面YK42+681三個測點隨上下臺階開挖的最大沉降值統(tǒng)計如表2所示。

表2 YK42+681拱頂下沉測點隨上下臺階開挖的最大沉降值

3.2 YK40+379監(jiān)測斷面

上臺階掌子面開挖過2 m后布置拱頂下沉監(jiān)測斷面YK40+379，此時下臺階掌子面距離監(jiān)測斷面19 m。施工過程中，上下臺階掌子面保持約20 m的距離。拱頂下沉測點沉降值隨時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，上臺階開挖時，受施工爆破擾動影響，拱頂下沉明顯，隨著掌子面的遠(yuǎn)離和時間的推移，變形速率逐漸減小，拱頂下沉經(jīng)歷15 d的持續(xù)下降后，變形量漸趨平穩(wěn)。測點 G1，G2，G3沉降量于上臺階掌子面距離超過監(jiān)測斷面2D時開始處于穩(wěn)定值，中間測點G2沉降值達(dá)37.7 mm，這一過程中的變形占總變形量的73.5%。下臺階開挖時，施工爆破造成圍巖二次擾動，應(yīng)力重分布，拱頂下沉測點沉降值又一次顯著下降并隨著下臺階掌子面的遠(yuǎn)離再次趨于穩(wěn)定，中間測點G2沉降值最終沉降量為51.3 mm，這一過程中的變形占總變形量的26.5%。

圖3 Y K40+379初期襯砌拱頂沉降量隨時間變化曲線

拱頂下沉監(jiān)測斷面YK40+379三個測點隨上下臺階開挖的最大沉降值統(tǒng)計如表3所示。

綜合以上兩個監(jiān)測斷面拱頂下沉情況，可得如下規(guī)律：

怒江州政府從2003年開始大量招商引資，推進(jìn)中小水電開發(fā)。國家發(fā)改委評審?fù)ㄟ^了《怒江中下游水電規(guī)劃報告》，計劃了在怒江修建“兩庫十三級”電站的開發(fā)方案,但上述規(guī)劃方案遭到了環(huán)保組織的反對。在隨后的十一五、十二五國家能源發(fā)展規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)的計劃一直位列其中。通過民間環(huán)保力量的不懈努力，經(jīng)過十多年保護(hù)與開發(fā)的探討，在2016年12月的能源發(fā)展十三五規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)終于出列。

1)上下臺階開挖至監(jiān)測斷面前后，拱頂?shù)娜齻€測點沉降量均出現(xiàn)一定程度的突變，拱頂下沉經(jīng)歷了三個階段：急劇變形階段、緩和變形階段及基本穩(wěn)定階段。

2)上臺階開挖后10～15 d內(nèi)，圍巖變形很強(qiáng)烈，拱頂下沉量達(dá)到總下沉量的70%。強(qiáng)烈變形過后，由于巖土體材料的黏彈性，圍巖變形進(jìn)入波動期并很快進(jìn)入緩慢變形期，變形趨于平衡。

3)下臺階開挖時，對上部圍巖擾動較小，下臺階開挖導(dǎo)致的拱頂下沉量只占總下沉量的30%。

表3 YK40+379拱頂下沉測點隨上下臺階開挖的最大沉降值

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

本次數(shù)值模擬作為平面問題處理，物理模型定為彈性模型。為消除邊界效應(yīng)，所建立的模型具有足夠大的尺寸，模型范圍為隧道長寬的3倍以上。因監(jiān)測數(shù)據(jù)均量測于二次襯砌施作前，故數(shù)值模擬中只考慮初期支護(hù)作用，C20噴射混凝土等效為梁單元，φ25中空錨桿等效為桿單元。根據(jù)實際經(jīng)驗與隧道開挖理論，模型兩側(cè)邊界設(shè)為水平位移約束，下邊界設(shè)為豎直位移約束，上邊界為自由邊界。

在上下臺階施工模擬時，圍巖應(yīng)力分步釋放。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到上臺階支護(hù)完成后應(yīng)力釋放75%，下臺階支護(hù)完成后應(yīng)力釋放25%。計算分5個增量步：①初始地應(yīng)力計算;②上臺階開挖;③上臺階初期支護(hù);④下臺階開挖;⑤下臺階初期支護(hù)。

計算中圍巖重度參考勘察報告，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)來自隧道設(shè)計資料，其它計算參數(shù)按照公路隧道設(shè)計規(guī)范［10］取值，如表4和表5所示。

表4 YK40+379處Ⅵ級圍巖計算參數(shù)

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 有限元計算結(jié)果

圖4 計算斷面變形云圖(上臺階開挖)(單位：m)

4.3 計算結(jié)果分析

計算斷面的拱頂下沉計算結(jié)果與實測值對比見表6。從實測結(jié)果來看，隧道的拱頂最終下沉量為51.3 mm，而數(shù)值模擬的拱頂最大下沉量為48.9 mm;上臺階開挖支護(hù)完畢時，隧道拱頂實測下沉量為37.7 mm，而數(shù)值模擬的下沉量為37.4 mm。計算結(jié)果和實測結(jié)果基本相符合。

圖5 計算斷面變形矢量圖(上臺階開挖)(單位：m)

圖6 計算斷面變形云圖(開挖完成后)(單位：m)

圖7 計算斷面變形矢量圖(開挖完成后)(單位：m)

從數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)對比可知，本次數(shù)值模擬計算效果較好，可在指導(dǎo)施工實踐中起到一定的參考作用。由計算結(jié)果與實測值可知，上臺階開挖拱頂沉降量占總沉降量的絕大部分，因此在上臺階施工中應(yīng)注意開挖進(jìn)尺和爆破裝藥量等，盡量減弱施工擾動的影響。

表6 計算結(jié)果與實測值的對比

5 結(jié)論

本文通過對杉樹坳隧道臺階法施工的現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬對比，研究了臺階法開挖施工進(jìn)度與變形之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

1)隧道上下臺階開挖前后拱頂下沉都經(jīng)歷了三個階段：急劇變形階段、緩和變形階段及基本穩(wěn)定階段。上臺階開挖引起的拱頂變形是總變形的主要組成部分，可達(dá)到總變形量的70%以上。

2)隧道下臺階開挖及初期支護(hù)30 d左右，圍巖基本穩(wěn)定，可按規(guī)范要求適時施作二次襯砌。

3)通過現(xiàn)場監(jiān)控量測，可及時掌握圍巖和初期支護(hù)在施工中的變形情況及穩(wěn)定程度，為評價和修改初期支護(hù)參數(shù)、保證隧道施工安全和二次襯砌施作時間提供依據(jù)。

4)通過典型斷面的數(shù)值模擬，對隧道拱頂下沉隨施工工序變化的實測值與計算值進(jìn)行對比，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)確定應(yīng)力釋放系數(shù)規(guī)律，進(jìn)一步通過數(shù)值模擬分析，預(yù)測圍巖變形是可行的。

［1］李曉紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

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［9］中華人民共和國交通部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［10］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

U455.4

A

1003-1995(2012)01-0044-04

2011-04-19;

2011-10-18

馬顯紅(1971— )，男，貴州貴陽人，高級工程師。

(責(zé)任審編 白敏華)