陽(yáng)曲1號(hào)黃土隧道圍巖變形規(guī)律研究

吳 永，魏 偉，王國(guó)強(qiáng)

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

由于黃土隧道的不斷增加，施工中面臨問(wèn)題較多，國(guó)內(nèi)外許多研究者在此方面做了大量的工作。隧道施工理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成為隧道施工安全性保障的有利證明，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖與支護(hù)形式監(jiān)測(cè)，為下一步初期支護(hù)和二次支護(hù)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，把理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比整理，可以進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案和施工方案，這樣可以得到合理有效的方案，既可以提高施工速度與質(zhì)量，還可以節(jié)省成本。以陽(yáng)曲1號(hào)黃土隧道為工程依托，通過(guò)MIDAS/GTS數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道雙側(cè)壁施工法施工過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到了一些可靠結(jié)論。

1 工程概況

山西平陽(yáng)高速公路21合同段陽(yáng)曲1號(hào)隧道進(jìn)口工程位于凌井小盆地的地表黃土沖刷溝壑淺埋地段中，洞口淺埋Ⅴ級(jí)圍巖地段設(shè)計(jì)埋深在13～38 m，跨度約為15 m，高度約為10 m;該隧道在施工過(guò)程中由于土體自穩(wěn)性極差，洞頂土體容易失穩(wěn)。

隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法進(jìn)行開(kāi)挖，遵循新奧法原理，盡量少擾動(dòng)圍巖，采用柔性支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖自承作用，并輔以超前支護(hù)輔助工法，隧道橫斷面見(jiàn)圖1。本文用于數(shù)值模擬的目標(biāo)斷面為ZK93+917，隧道埋深25 m。

圖1 隧道支護(hù)襯砌(單位:cm)

2 隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮開(kāi)挖影響的范圍，因此模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=105 m×10 m×62 m。模型地表面為自由面，四周采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件。計(jì)算中土體為摩爾-庫(kù)侖材料，初支采用C25混凝土，厚度0.25 m，錨桿直徑25 mm，長(zhǎng)度4.5 m，總數(shù)32根。初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地層的地層構(gòu)造應(yīng)力。整個(gè)模型共個(gè)3 638節(jié)點(diǎn)，共12 186單元。地層采用實(shí)體單元，噴混采用板單元，錨桿采用植入式桁架，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 隧道計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，數(shù)值計(jì)算所采用的巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算材料參數(shù)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程模擬

在隧道施工過(guò)程中，模型采用開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺1 m，總共10個(gè)循環(huán)，按照左導(dǎo)坑—右導(dǎo)坑—中間導(dǎo)坑的順序施工。為了研究開(kāi)挖支護(hù)后圍巖變形規(guī)律，計(jì)算提取了拱頂沉降、周邊收斂數(shù)據(jù)，而觀測(cè)截面選在開(kāi)挖第一循環(huán)截面。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 隧道圍巖豎向位移分析

從圖3隧道的開(kāi)挖過(guò)程可以看出，左導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后，最大位移出現(xiàn)在導(dǎo)坑的拱頂，最大值為1.71 cm，兩肩處位移集中，邊墻和拱腳位移相對(duì)較小，發(fā)生底鼓現(xiàn)象，而且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，由于掌子面對(duì)目標(biāo)面約束減小，整個(gè)豎向位移變化規(guī)律呈先增長(zhǎng)后逐漸平穩(wěn)。在右導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)中，左導(dǎo)坑位移發(fā)生突變，位移值達(dá)到2.17 cm，但位移集中區(qū)域減小，右導(dǎo)坑兩肩也出現(xiàn)位移集中。當(dāng)右導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后，左導(dǎo)坑位移增加到2.43 cm，右導(dǎo)坑位移值為1.75 cm，右導(dǎo)坑也發(fā)生底鼓現(xiàn)象。當(dāng)中間導(dǎo)坑開(kāi)挖結(jié)束后，左右導(dǎo)坑位移集中區(qū)域都有所減小，但數(shù)值都有所增加，拱頂下沉左導(dǎo)坑從2.43 cm增加到2.47 cm，右導(dǎo)坑從1.75 cm增加到2.46 cm。最大位移出現(xiàn)在拱頂處，最大值為2.53 cm。

圖3 圍巖豎向位移云圖

從上述的描述中及圖4中可發(fā)現(xiàn)，豎向位移主要分布在拱頂與拱底處，整個(gè)豎向位移隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，表現(xiàn)出先增長(zhǎng)后平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，而且位移影響范圍逐漸擴(kuò)大，擴(kuò)展到隧道的頂部與底部。

2.4.2 隧道圍巖橫向位移分析

圖4 隧道豎向位移變化曲線

從圖5隧道的開(kāi)挖過(guò)程可以看出，左導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后，拱腰的位移最大，且最大位移為20.17 cm，且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，橫向位移呈先增長(zhǎng)后逐漸平穩(wěn)。在右導(dǎo)坑的開(kāi)挖支護(hù)中，左導(dǎo)坑橫向位移發(fā)生突變，并增長(zhǎng)到22.13 cm。當(dāng)右導(dǎo)坑開(kāi)挖結(jié)束后，左導(dǎo)坑位移增加到22.15 cm，右導(dǎo)坑位移值為20.13 cm，且兩側(cè)的位移基本對(duì)稱，兩導(dǎo)坑連接處位移較集中而其外側(cè)的位移影響范圍大。當(dāng)中導(dǎo)坑開(kāi)挖結(jié)束后，右導(dǎo)坑從20.13 cm增加到22.16 cm，且影響范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

圖5 圍巖橫向位移云圖

從上述的描述中及圖6中可發(fā)現(xiàn)，橫向位移主要分布在拱腰處，且左右側(cè)基本對(duì)稱，而且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，影響范圍逐漸增大。由于圍巖的含水率較高，圍巖的橫向位移較大。

圖6 隧道收斂變化曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為了掌握圍巖的變形規(guī)律，在施工期間對(duì)拱頂下沉及水平收斂進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。收斂采用JSS30A型數(shù)字顯示式收斂?jī)x，收斂值取3次測(cè)量的平均值，以消除誤差。監(jiān)測(cè)方案如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置

4.2 隧道水平收斂與拱頂下沉(圖8、圖9)

(1)隧道收斂量與拱頂下沉量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，但也不是絕對(duì)的穩(wěn)定，穩(wěn)定中有少許的增長(zhǎng)，這與圍巖本身濕軟的特性有關(guān)。

(2)隧道的收斂發(fā)生在開(kāi)挖后的短期內(nèi)，所以實(shí)際施工時(shí)，根據(jù)觀測(cè)到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，要適時(shí)調(diào)整初期支護(hù)的剛度，以達(dá)到新奧法施工的特點(diǎn)。

圖8 隧道豎向位移變化曲線

圖9 隧道收斂變化曲線

(3)圍巖的變形在進(jìn)行不同部開(kāi)挖時(shí)，圍巖的變形會(huì)突增，說(shuō)明對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，在實(shí)際施工中要注意及時(shí)封閉巖面，以便讓巖體盡早穩(wěn)定。

(4)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的離散性，說(shuō)明實(shí)際施工是各種因素的綜合體。巖體本身濕軟，而且斷面大，整體變形較大，當(dāng)隧道開(kāi)挖結(jié)束后，巖面不宜暴露太長(zhǎng)時(shí)間。

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)陽(yáng)曲1號(hào)梁隧道變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)陽(yáng)曲1號(hào)隧道圍巖軟弱，在開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束短期內(nèi)，圍巖變形較大，隨后圍巖穩(wěn)定，但穩(wěn)定中仍有增長(zhǎng)。

(2)圍巖穩(wěn)定中增長(zhǎng)的幅度較小，所以不影響二襯的施作。

(3)對(duì)比數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)的結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)偏大，說(shuō)明實(shí)際施工中影響圍巖變形的因素較多，而且圍巖的含水量較高，如不及時(shí)封閉，對(duì)圍巖的自穩(wěn)能力會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

(4)圍巖的含水量較高，初期支護(hù)拱角處可能由于強(qiáng)度低而變形大，所以及時(shí)施作仰拱，使圍巖的變形減小。

(5)隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬與圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明支護(hù)參數(shù)合理，可被工程接受，為黃土隧道的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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