隧道開挖縱向變形相關(guān)性研究

摘要：本文依托湖北谷竹高速關(guān)埡子隧道，實施斷面全過程的監(jiān)控量測，通過對實際監(jiān)控的數(shù)據(jù)結(jié)果和數(shù)值分析的數(shù)據(jù)的分析，得出了各斷面在縱向上的變形相關(guān)性，為指導類似工程的支護設(shè)計和施工工藝提供了依據(jù)，為隧道施工過程中有效的利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行圍巖穩(wěn)定性判斷，保障施工安全提供了方法。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測 數(shù)值模擬 縱向變形 相關(guān)性分析

1 概述

隧道新奧法中的關(guān)鍵工序為隧道監(jiān)控量測，其質(zhì)量結(jié)果直接影響圍巖與襯砌的穩(wěn)定性、施工安全、施工順序及施工方法，同時對安排施工管理具有重要指導作用。

本文依托湖北谷竹高速關(guān)埡子隧道，對各斷面的拱頂和收斂進行了全過程的變化監(jiān)測，同時進行了數(shù)值分析。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，總結(jié)出隧道開挖過程中縱向上的各斷面變形相關(guān)性，對于指導類似工程的設(shè)計施工和科研工作具有一定的參考價值。

2 工程概況

關(guān)埡子隧道設(shè)計為小凈距隧道，位于湖北省竹溪縣蔣家堰鎮(zhèn)。隧址區(qū)屬風化斷裂地貌，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要以西北向和東北向斷裂為主，巖性較差，巖石較破碎，斷裂破碎處含水量較大，。隧道左線起止樁號為：ZK226+712～ZK227+797，選取ZK227+780～ZK227+453為分析區(qū)段，全長347m。該區(qū)段圍巖片巖較多，主要為強、弱風化片巖。

隧道洞口采用端墻式洞門，出口端前5m設(shè)計為明洞，明洞頂部回填采用水泥砂漿抹面。明洞襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚度為60cm。暗挖段采用復合式襯砌，初期支護采用C20混凝土，二襯采用C25混凝土，仰拱采用C15片石混凝土。洞口施工為關(guān)鍵施工點，為保證施工的安全性和洞口圍巖的穩(wěn)定性，洞口采用超前長管棚和地面深層攪拌的方法，圍巖采用超前小導管加注漿，Ⅳ級圍巖采用超前錨桿。

3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測

工程實踐表明，最能反映圍巖及支護系統(tǒng)力學形態(tài)和安全性能的指標是周邊位移和拱頂下沉。我國的現(xiàn)行規(guī)范也將周邊允許收斂值和允許收斂速度作為圍巖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的判據(jù)[1]。

本文主要研究各橫斷面的拱頂下沉、水平收斂在縱向上的變形相關(guān)性，根據(jù)現(xiàn)場實際，共劃分18個橫斷面（見表1），每個橫斷面設(shè)置3個測點（見圖1）。拱頂下沉的測量工具為精密水準儀和標準鋼卷尺，水平收斂則使用數(shù)顯收斂計測量。

3.2 數(shù)值分析

數(shù)值模擬作為一種先進的預測施工方案可靠性的方法，已經(jīng)越來越成熟和可靠，本文選用ABAQUS數(shù)值分析軟件進行模擬開挖。為合理模擬邊界效應，模型長度取為隧道直徑的10倍，使隧道處于模型的中心[2]。左右邊界同時施加水平方向約束，底部施加水平和垂直方向的約束（如圖2所示）。模擬單元以四邊形單元為主，在近洞口段的過渡區(qū)域允許出現(xiàn)三角形，從而實現(xiàn)粗細網(wǎng)格的合理過渡，以保證精度。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)與分析

為便于分析數(shù)據(jù)和進行理論解釋，將以上數(shù)據(jù)繪制成圖4。

由圖4可以看出，在近洞口段，拱頂下沉量發(fā)展較快，實測值在7號斷面已經(jīng)達到18號斷面的73.48%，模擬值達到83.56%。7號斷面處于Ⅴ、Ⅳ級巖石的分界面，巖性較差，以破碎片巖為主，而且地下水含量較大，承載能力不足，自穩(wěn)能力較差，整體性較差，因此次區(qū)段內(nèi)拱頂沉降量在重力的作用下隨埋深的增加而增大，發(fā)展較快。之后的斷面由于巖性的改善，掌子面的巖體強度和自穩(wěn)能力增強，變形也趨于穩(wěn)定。這是由于巖性發(fā)生改變，巖石的強度和整體性得到改善，使沉降量發(fā)展緩慢[3]。

水平收斂的變形趨勢與拱頂沉降規(guī)律大致相反。在近洞口埋深較淺，收斂主要受土體水平側(cè)壓力的影響，所以近洞口段水平收斂較小且發(fā)展緩慢。隨著開挖進程，水平側(cè)壓力隨埋深的增大而變大，導致水平收斂值也明顯增加。

由圖可以看出，數(shù)值分析的數(shù)據(jù)曲線能反映出隧道開挖變形在縱向上的變形規(guī)律。因此可以通過數(shù)值分析進行施工過程中圍巖以及襯砌的變形規(guī)律和變形量，依此制定相應的應對措施，或者作為施工方案設(shè)計的參考依據(jù)。同時鑒于數(shù)值分析的近似性和理想化，不能完全模擬實際的施工工況，因此，不能單獨利用數(shù)值分析數(shù)據(jù)進行分析，必須結(jié)合實際的測量結(jié)果進行對比分析，來評價圍巖性能和支護方案的可靠性[4]。

5 結(jié)語

通過對實際測量數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，結(jié)合實際的工程現(xiàn)狀和理論依據(jù)，可以總結(jié)出新奧法施工的隧道縱向上各斷面的變形相關(guān)性。具體表現(xiàn)為：

①在鄰洞口段，影響拱頂下沉的主要因素為埋深，且近洞口段的發(fā)展較快。經(jīng)過近洞口段后，巖石的承載能力成為影響拱頂下沉的主要因素。

②在整個開挖區(qū)段內(nèi)，理論分析和實際測量的結(jié)果同時顯示水平收斂變形趨勢與拱頂沉降規(guī)律大致相反，呈現(xiàn)出先緩后急的趨勢。

③在隧道開挖過程中，拱頂位移是判斷施工效果和評價巖性的關(guān)鍵因素，是反映圍巖力學狀態(tài)最直觀的數(shù)據(jù)。因此施工中要做好對拱頂沉降數(shù)據(jù)的處理和分析，充分利用其數(shù)據(jù)做好對施工方案的調(diào)整，做到信息化施工。

參考文獻：

[1]陳建勛，馬建勤.隧道工程試驗監(jiān)測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]鄧江.貓山公路隧道工程技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]劉泉聲，白山云，肖春喜等.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的龍?zhí)端淼朗┕て趪鷰r穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26（10）：1982-

1990.

[4]張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預測[J].巖石力學與工程學報，2005，24（10）：1703-1707.