偏壓隧道的進(jìn)洞施工擾動(dòng)效應(yīng)及安全監(jiān)控*

袁 維，傅鶴林，徐 武，2，陳政希

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000;3.湖南城市學(xué)院，湖南益陽(yáng) 413000)

近年來(lái)，隨著西部交通建設(shè)步伐的加快，工程施工過(guò)程中須克服諸多不利因素，特別地，復(fù)雜地質(zhì)條件下的偏壓隧道進(jìn)洞施工給設(shè)計(jì)和施工人員帶來(lái)了難度。為此，國(guó)內(nèi)科研人員開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，并取得了一些具有實(shí)踐意義的成果。在偏壓隧道施工方面，肖劍秋［1］對(duì)公路偏壓隧道進(jìn)行量測(cè)與有限元模擬分析;雷金山等［2］針對(duì)大跨度偏壓連拱隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與受力分析;劉小軍等［3－5］結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)偏壓隧道施工過(guò)程進(jìn)行了研究;蘇永華等［6］對(duì)越嶺淺埋偏壓隧道支護(hù)系統(tǒng)承載特性進(jìn)行了分析。在監(jiān)控方面，徐林生［7］研究了公路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)及其應(yīng)用;王彥武［8］基于太舊高速公路北茹隧道進(jìn)行了圍巖變形監(jiān)測(cè);黃成光等［9－10］對(duì)隧道施工安全監(jiān)控都進(jìn)行了深入研究。

這些成果涉及偏壓隧道施工技術(shù)和圍巖變形機(jī)理。但是，由于隧道施工的復(fù)雜多樣性，還須結(jié)合具體工程解決實(shí)際的問(wèn)題。本文擬根據(jù)某公路隧道進(jìn)洞段地質(zhì)條件復(fù)雜且較差的特點(diǎn)，利用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法，對(duì)偏壓隧道進(jìn)洞施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究地層圍巖的變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)手段及時(shí)監(jiān)測(cè)地層圍巖變形，確保進(jìn)洞施工的安全。

1 隧道進(jìn)洞段工程概況

1.1 地質(zhì)條件

該隧道里程K16+260～K16+290段為隧道進(jìn)口段，該處進(jìn)洞洞頂最小埋深約8 m，仰坡坡度為16°。隧道周邊圍巖為黃褐色強(qiáng)－中等風(fēng)化砂巖，塊狀、碎塊狀，不等厚層，巖層產(chǎn)狀為192°∠31°。巖石堅(jiān)硬較難擊碎。巖體不完整，節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀為355°∠55°，節(jié)理張開(kāi)，延伸超過(guò) 20 m，泥質(zhì)充填，結(jié)合程度差。該節(jié)理面走向與隧道軸線斜交，對(duì)隧道形成偏壓。該段開(kāi)挖后有少量出水。圍巖易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大的坍塌、冒頂，側(cè)壁經(jīng)常出現(xiàn)小坍塌。

1.2 施工方法

隧道進(jìn)口偏壓段采用短進(jìn)尺多循環(huán)方式進(jìn)洞，以機(jī)械開(kāi)挖為主，少量邊角采用放小炮的方式開(kāi)挖，該處圍巖等級(jí)為V和Ⅳ級(jí)，采用臺(tái)階法施工。

預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)措施為:導(dǎo)向套拱采用4榀I20b工字鋼，打設(shè)108大棚，初支進(jìn)行加強(qiáng)，鋼拱架采用I20b工字鋼，間距為60 cm，錨桿采用25的中空注漿錨桿，長(zhǎng)度加長(zhǎng)到6 m，并與拱架牢固相連。

2 模型的建立及參數(shù)的選取

2.1 模型的建立

考慮最不利條件下的隧道開(kāi)挖，取進(jìn)洞模型洞頂最小埋深為8 m，仰坡坡度為16°，建立該隧道進(jìn)洞臺(tái)階法施工開(kāi)挖三維計(jì)算模型，如圖1所示。其中，模型尺寸:x方向長(zhǎng)度為53.8 m，y方向長(zhǎng)度為30 m，隧道前端洞口拱頂埋深為8 m，末端洞口拱頂埋深為16.7 m。上覆土體、圍巖及注漿加固區(qū)皆采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元，共劃分18 480個(gè)三維單元體(zones)和 20 560個(gè)節(jié)點(diǎn)(gridpoints)。

圖1 隧道進(jìn)口臺(tái)階法數(shù)值模型Fig.1 Tunnel entrance numerical model of step constructon method

圖2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Early supporting structure model

上覆土體、圍巖及注漿加固區(qū)本構(gòu)模型皆采用Mohr－coulomb理想彈塑性模型;超前管棚采用shell單元模擬，鋼拱架與網(wǎng)噴初期支護(hù)合并采用shell單元模擬，并通過(guò)設(shè)置不同的shell厚度達(dá)到區(qū)別管棚作用的目的。邊墻中空注漿錨桿采用cable單元模擬，并通過(guò)提高注漿區(qū)域土體參數(shù)模擬錨桿注漿加固圍巖的效應(yīng)。二次襯砌作為強(qiáng)度儲(chǔ)備，在此僅考慮初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧道的支撐作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。在參考該公路隧道有關(guān)地質(zhì)資料并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬定各模擬單元所采用的力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1～4所示。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 超前管棚力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of advanced pipe－shed

表3 錨索結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of cable structure

表4 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)(鋼拱架+網(wǎng)噴)力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of early supporting structure(Steel arch+net spray support)

其邊界條件為:模型左右邊界約束x方向位移;前后邊界約束y方向位移;底面約束全部x，y，z方向位移，模擬固定端的邊界條件;頂面為自由面。

2.2 施工工況的模擬

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，確定該數(shù)值模擬計(jì)算步驟見(jiàn)表5。第1步～第7步依照施工工序進(jìn)行開(kāi)挖及初期支護(hù)與錨桿注漿，計(jì)算以不平衡力趨于收斂為止。

表5 數(shù)值模擬計(jì)算步驟Table 5 Numerical calculating steps

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

為了更直觀地了解隧道進(jìn)口段臺(tái)階法施工各步驟下的圍巖變形規(guī)律，計(jì)算時(shí)在模型中設(shè)置了如圖3所示的L1～L5共5條位移變形監(jiān)測(cè)線。其中:L1為距開(kāi)挖起點(diǎn)8 m處斷面地表豎向沉降值;L2為隧道拱頂上方地表沿軸線沉降值;L3為隧道拱頂沿軸線沉降值;L4為隧道拱底沿軸線隆起值;L5為隧道左側(cè)拱腰向凈空收斂值。每開(kāi)挖步掘進(jìn)4 m求解完成后記錄各監(jiān)測(cè)軸線上相應(yīng)的位移分布，繪制成變形曲線見(jiàn)圖4～8。

圖3 變形監(jiān)測(cè)線布置Fig.3 Distribution of deformation monitoring lines

圖4 監(jiān)測(cè)線L1地表沉降變化Fig.4 Monitoring line L1 of ground settlement

從圖4可以看出:距開(kāi)挖起點(diǎn)8 m處斷面地表沉降在隧道中心線附近最大，距離隧道中心線20 m區(qū)域內(nèi)的沉降變化已趨于穩(wěn)定。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，隧道中心線附近的豎向沉降值越來(lái)越大，呈現(xiàn)漏斗狀分布。

圖5 監(jiān)測(cè)線L2地表沉降變化Fig.5 Monitoring line L1 of ground settlement

圖6 監(jiān)測(cè)線L3隧道拱頂沉降變化Fig.6 Monitoring line L3 of tunnel crown settlement

從圖5可以看出:隨著隧道的掘進(jìn)，掌子面附近正上方地表沉降逐漸增大，而掌子面后方地表沉降值仍然繼續(xù)發(fā)展。在掌子面掘進(jìn)28 m左右之后，初始開(kāi)挖斷面上方地表沉降趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值為－2.79 mm?？偟目磥?lái)，在開(kāi)挖過(guò)程中，隧道上方沿軸線地表沉降保持較小。

通過(guò)對(duì)比圖6與圖5的沉降變化曲線可知:(1)拱頂與地表沉降均發(fā)生在開(kāi)挖掌子面附近，兩者沉降變化趨勢(shì)相似，但拱頂沉降值更大，相較地表沉降值增加了約100%;(2)開(kāi)挖掌子面前后區(qū)域拱頂沉降值區(qū)別較大，與地表沉降相比，拱頂沉降的變化幅度更趨激烈，這點(diǎn)可從兩者曲線變化弧度看出;(3)拱頂與地表沉降皆在掌子面開(kāi)挖28 m左右趨于穩(wěn)定，此時(shí)拱頂累計(jì)最大沉降值達(dá)到－3.83 mm。

圖7 監(jiān)測(cè)線L4隧道拱底隆起值Fig.7 Monitoring line L4 of tunnel arch bottom heave

從圖7可以看出:拱底沉降變化均表現(xiàn)為向上隆起，由于隧道開(kāi)挖引起應(yīng)力釋放，造成拱底土體向上隆起;拱圈閉合后，由于局部荷載擠壓作用，仍有隆起發(fā)生，并距掌子面28 m處趨于穩(wěn)定，最大值達(dá)到6.39 mm。從圖8可見(jiàn):在隧道開(kāi)挖后，拱腰收斂變化首先表現(xiàn)為微小的向凈空收斂，隨著開(kāi)挖掌子面的推進(jìn)，收斂值變化為向兩側(cè)外擴(kuò)，由于上部圍巖土體壓力通過(guò)拱腰處拱圈的向外擠壓分散了一部分上部壓力，造成拱腰向外擴(kuò)張?jiān)龃?在掌子面開(kāi)挖28 m左右收斂值趨于穩(wěn)定;在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，側(cè)壁向內(nèi)收斂值很小，可忽略不計(jì)。

圖8 監(jiān)測(cè)線L5隧道左側(cè)拱腰收斂值Fig.8 Monitoring line L5 of left arch tunnel convergence

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

圖9 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分布圖Fig.9 Stress distribution of early supporting structure

從圖9可以看出:(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)彎矩大致呈對(duì)稱分布，最大值集中于兩側(cè)拱腳處，分布為外側(cè)受拉的彎矩，其最大值為196.2 kN·m，該拱腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，主要是由于拱腳處圓弧曲率較大造成受力集中所引起;在拱底區(qū)域出現(xiàn)了一定內(nèi)側(cè)受拉的彎矩，其大小約為拱頂彎矩的2～3倍，最大值為97.3 kN·m，主要是底部土體向上隆起所致;(2)環(huán)向軸力(即Nx)皆為受壓，拱頂及拱底軸力分布較為均勻，而在隧道兩側(cè)拱腰處，軸力達(dá)到最大值，其壓力為1271.8 kN，主要承受上部土體的豎向荷載;縱向軸力(即Ny)的最大值主要分布于開(kāi)挖洞口附近，該處隧道初承受來(lái)自圍巖土體向外的擠壓力，而在拱底處承受一定的受拉軸力，其最大拉力值為218.1 kN，由于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性防止了支護(hù)結(jié)構(gòu)的向外擠出。(3)在拱頂及拱底處剪力值較小，這點(diǎn)從彎矩圖即可看出，最大剪力值主要集中于兩側(cè)拱腳處，并在拱腳處出現(xiàn)了正、負(fù)剪力的交替轉(zhuǎn)換，其最大正剪力值為215.3 kN，最小負(fù)剪力值為－218.4 kN，這正是拱腳處彎矩最大的原因。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

針對(duì)該隧道進(jìn)口K16+270～K16+900段施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，共布置27個(gè)拱頂沉降、凈空收斂及地表沉降監(jiān)測(cè)斷面。由于監(jiān)測(cè)斷面較多且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)僅例舉典型斷面地表沉降、拱頂沉降、以及凈空收斂隨時(shí)間累計(jì)變化曲線，分別如圖10～12所示。

圖10 隧道進(jìn)口邊坡地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降－時(shí)間曲線圖Fig.10 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance slope surface

由圖10可以看出:從12月6日—3月13日進(jìn)口邊坡地表最大累計(jì)沉降量為2.1 mm，該沉降點(diǎn)出現(xiàn)在JDC－3處，其他測(cè)點(diǎn)均小于該值。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:隧道進(jìn)口段邊坡地表沉降量均普遍較小，累計(jì)量值均在±3.0 mm以內(nèi)，且變形速率發(fā)展極其緩慢。隨著進(jìn)出口段二襯施工逐步跟進(jìn)，進(jìn)出口地表沉降均無(wú)較明顯的變化。說(shuō)明邊坡基本趨于穩(wěn)定，隧道施工對(duì)邊坡擾動(dòng)基本無(wú)影響。

圖11 隧道進(jìn)口各斷面拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降－時(shí)間曲線圖Fig.11 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance sections

由圖11和圖12可見(jiàn):從2月25日—4月18日進(jìn)口段拱頂沉降最大累計(jì)沉降值為－19.0 mm，該沉降點(diǎn)出現(xiàn)在K16+469斷面;從4月29日—6月10日進(jìn)口凈空收斂最大累計(jì)位移為19.5 mm，出現(xiàn)在K16+715斷面1－＞3測(cè)線。

圖12 隧道進(jìn)口段斷面K16+715的累計(jì)收斂－時(shí)間曲線圖Fig.12 Accumulated convergence － time curve of monitoring points at tunnel entrance section K16+715

4.2 與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析如下:(1)兩者在隧道開(kāi)挖下引起的圍巖變形趨勢(shì)一致，皆表現(xiàn)為剛開(kāi)挖階段變形較大，隨著開(kāi)挖及支護(hù)的跟進(jìn)，變形幅度逐漸變小，并最終趨于穩(wěn)定;(2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果認(rèn)為距離掌子面28 m附近地表及洞內(nèi)變形趨于穩(wěn)定，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示接近30 d左右圍巖變形才趨于穩(wěn)定;(3)數(shù)值計(jì)算的圍巖變形值大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值，這是由于計(jì)算中只考慮了初期支護(hù)的作用，未計(jì)入二襯的影響;(4)通過(guò)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的相互驗(yàn)證，表明該偏壓隧道進(jìn)洞施工及支護(hù)方案較為合理，為防止隧道前期變形過(guò)大，須確保支護(hù)措施及時(shí)跟進(jìn)施工。

5 結(jié)論及建議

(1)偏壓隧道開(kāi)挖引起的拱頂與地表沉降均集中于開(kāi)挖掌子面附近，兩者沉降變化形式相似，但拱頂沉降值更大，且拱頂沉降的變化幅度更趨激烈。拱底沉降變化均表現(xiàn)為向上隆起，在拱圈閉合后，逐漸趨于穩(wěn)定。拱腰收斂變化首先表現(xiàn)為微小的向凈空收斂，隨著掌子面開(kāi)挖的推進(jìn)，收斂值變化為向兩側(cè)外擴(kuò)。

(2)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大致呈對(duì)稱分布，在兩側(cè)拱腳處存在較大的應(yīng)力集中，主要是由于拱腳處圓弧曲率變化較大引起，建議拱腳采取連續(xù)曲率變化形式。

(3)偏壓隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)須密切關(guān)注監(jiān)測(cè)信息變化，出現(xiàn)異常情況及時(shí)制定或調(diào)整施工及支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:為防止隧道前期變形過(guò)大，須及時(shí)跟進(jìn)隧道初期支護(hù)及二襯施工。

(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可以有效地把握隧道進(jìn)洞動(dòng)態(tài)施工，并為圍巖類別調(diào)整、初期支護(hù)和二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整提供了依據(jù)。

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