軟巖隧道掌子面擠出與拱頂沉降變形相關(guān)性

朱得華，梁 斌，李治國

(1.河南科技大學(xué)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，河南洛陽471023;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽471009)

0 引言

隧道開挖介質(zhì)相對(duì)于隧道開挖行為的變形反應(yīng)是每名隧道設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注的首要問題，這是因?yàn)榕c其他因素相比，隧道開挖介質(zhì)相對(duì)于隧道開挖行為的變形反應(yīng)預(yù)示著是否能夠引發(fā)成拱效應(yīng)以及成拱效應(yīng)的位置，換句話講，也決定了隧道所能達(dá)到的穩(wěn)定等級(jí)。通過研究發(fā)現(xiàn):變形反應(yīng)從掌子面前方的超前核心土開始，隨之逐步沿隧道向后發(fā)展;而且變形不僅包括收斂變形，而是由擠出變形、預(yù)收斂及收斂變形組成。隧道掌子面和超前核心土體系的變形反應(yīng)與隧道變形之間有直接聯(lián)系，而且前者是因后者是果。從而強(qiáng)調(diào)監(jiān)控掌子面～超前核心土體系變形反應(yīng)的重要性，而不是只監(jiān)控隧道自身的變形，對(duì)于這方面的研究，國外已經(jīng)取得了一定的成果[1-5］。針對(duì)隧道變形方面，國內(nèi)也有一些相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6］研究了長大隧道軟弱圍巖段施工大變形的預(yù)測方法，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行長大隧道軟巖段施工大變形預(yù)測;文獻(xiàn)[7-9］通過隧道收斂和圍巖內(nèi)部位移的現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析，對(duì)隧道的變形進(jìn)行了系統(tǒng)研究。新意法把超前核心土視作一種新的隧道長期和短期穩(wěn)定工具:超前核心土的強(qiáng)度及對(duì)變形的敏感性在隧道施工中起決定性作用，同時(shí)也決定了掌子面到達(dá)時(shí)隧道的變形特性。

掌子面擠出變形是開挖介質(zhì)對(duì)隧道開挖產(chǎn)生的變形反應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，主要發(fā)生在超前核心土內(nèi);擠出變形的大小取決于超前核心土的強(qiáng)度、變形特性及其所處的原始應(yīng)力場;擠出變形發(fā)生在隧道掌子面的表面，沿隧道水平軸線方向發(fā)展，其幾何形狀大概呈軸對(duì)稱(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋狀突出[10-12］。

近年來為了能夠大幅度提高隧道施工機(jī)械化的水平，使隧道施工安全、經(jīng)濟(jì)、快速高效，現(xiàn)在大斷面隧道的施工逐步趨向于采用全斷面法或全斷面短臺(tái)階法。

本文依托于某軟巖鐵路隧道，該隧道采取了一定的超前預(yù)加固措施，實(shí)現(xiàn)了大斷面施工，筆者主要研究了在施工期間，掌子面封閉后，施做跟進(jìn)仰拱期間，考慮空間效應(yīng)的圍巖變形情況，并建立了數(shù)值計(jì)算模型，分析了施做仰拱期間掌子面擠出變形的變化規(guī)律，研究掌子面擠出變形與拱頂沉降變形之間聯(lián)系，為以后類似工程的掌子面變形分析提供參考。

1 工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)

隧道穿行于黃河高階地下部，主要涉及的地層為:第4系砂質(zhì)黃土，風(fēng)積砂質(zhì)黃土，沖積卵石土，粗圓礫及細(xì)圓礫土。全隧道設(shè)計(jì)圍巖為Ⅴ級(jí)。開挖揭示進(jìn)出口及各斜井地層主要為粗細(xì)圓礫土、卵石土及遇水未成巖粉細(xì)砂，隨后將隧道正洞未施工地段圍巖級(jí)別調(diào)整為Ⅵ級(jí)。

目前，隧道出口掌子面為遇水粉細(xì)砂層，開挖后如不及時(shí)處理，涌砂、突水、溜塌現(xiàn)象頻繁，該地區(qū)地下水為第4系孔隙水和基巖裂隙水。隧道洞身部分基巖裂隙水受補(bǔ)給源限制，其富水性較差。隧道洞身通過地段較為破碎，地下水不豐富。

1.2 施工方案

鑒于地層情況特殊，用傳統(tǒng)CD、CRD等施工方案速度緩慢，施工風(fēng)險(xiǎn)不易控制。該隧道采用“水平旋噴超前加固(見圖1)+大斷面施工”施工方案，取得了不錯(cuò)的效果。主要通過隧道周邊水平旋噴樁結(jié)合大管棚、掌子面水平旋噴結(jié)合玻璃纖維錨桿和隧道內(nèi)部綜合降水等措施對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固處理，采用挖掘機(jī)和破碎錘開挖，機(jī)械裝運(yùn)出渣。

圖1 水平旋噴超前加固縱剖面示意圖

2 測量方案

在每個(gè)施工循環(huán)開始，施做水平旋噴之前，需要封閉掌子面，把掌子面修整成60°～70°的坡，按1.5 m×1.5 m間距梅花形打設(shè)φ22 mm長2.5～3.0 m的錨桿，掛φ8 mm@20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片相互搭接，并與錨桿連接，然后噴20 cm厚的C25混凝土。

由于封閉掌子面到仰拱跟進(jìn)到掌子面之間有1到2周的時(shí)間，在這期間掌子面地形會(huì)發(fā)生一定的變化，根據(jù)新意法的理論，掌子面核心土的這種變化會(huì)關(guān)系到隧道整個(gè)的穩(wěn)定性，加上軟弱地層的特殊性，在這期間在掌子面布置測點(diǎn)，對(duì)掌子面的變形變化進(jìn)行觀測(見圖2)。

圖2 掌子面擠出變形量測

測量方案:由于施工工序復(fù)雜，現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)受到施工干擾問題突出，因此基于三維非接觸測量原理，采用高精度全站儀進(jìn)行量測[13］。在DK6+285掌子面布設(shè)發(fā)射膜片，反射膜片粘貼在掌子面露出錨桿的端部。測量時(shí)通過后方交匯采用絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行測量，得到測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過投影換算，得到測點(diǎn)在隧道里程方向、隧道橫向和高程的變化值，其中5個(gè)測點(diǎn)的初始位置見表1。掌子面后方每間隔5 m布設(shè)一個(gè)拱頂沉降測點(diǎn)，每天上、下午進(jìn)行兩次量測，分別采集了DK6+321～DK6+286共計(jì)8個(gè)監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)。

表1 測點(diǎn)的初始位置

3 測量結(jié)果分析

3.1 掌子面擠出變形分析

掌子面封閉后仰拱跟進(jìn)期間，掌子面擠出變形曲線如圖3所示，其中1號(hào)點(diǎn)～5號(hào)點(diǎn)的最大擠出變形分別為 19.3 mm、19.0 mm、10.8 mm、9.0 mm和15.5 mm。由圖3可以看出:掌子面上高程越大的點(diǎn)擠出變形值越大，也就是說越靠近掌子面上方位置的擠出變形越大;隨著仰拱施工靠近掌子面，掌子面擠出變形持續(xù)增大，分析曲線形狀，發(fā)現(xiàn)變形曲線大致可以分為5個(gè)階段:第1階段:在3月22日～3月23日未進(jìn)行仰拱開挖，曲線平穩(wěn)，4號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)很小幅度的減小;第2階段:3月23日開挖仰拱，變化速率增大，在3月23日～3月26日開挖了5 m的仰拱，曲線平穩(wěn)增長，變化速率保持一定;第3階段:在3月26日～3月29日繼續(xù)開挖了6 m仰拱，曲線平穩(wěn)增長，變化速率一定;第4階段:在3月29日處，變化速率繼續(xù)增大，直至3月30日，在此期間開挖了8 m仰拱;第5階段:在3月30日達(dá)到峰值，往后曲線呈線性減小;分析原因:30日至31日期間，仰拱開挖施工到DK6+295，由于離掌子面下臺(tái)階的距離較近(只有2 m左右)，施工開挖會(huì)引起掌子面發(fā)生向下的滑動(dòng)，造成擠出變形值急劇減小。

圖3 掌子面擠出變形曲線

表2為仰拱距掌子面距離與隧道半徑的比例關(guān)系，由表2可以看出:仰拱施工過程和掌子面擠出變形有一定的相關(guān)性:仰拱施工距掌子面的距離L＞4R時(shí)，施工對(duì)掌子面擠出變形影響很小，可以忽略;仰拱施工距掌子面的距離2R＜L＜4R時(shí)，隨著L的減小，掌子面擠出變形持續(xù)增大，在L≈3R處，累計(jì)變形速率發(fā)生變化，變化速率增大;仰拱施工距掌子面的距離L＜2R時(shí)，隨著L的減小，累計(jì)變形呈減小趨勢(shì)，下降速率快。

表2 仰拱里程與隧道半徑的關(guān)系

3.2 拱頂沉降變形

為了分析掌子面擠出變形和拱頂沉降變形的相關(guān)性，選取了DK6+321～DK6+286共計(jì)8個(gè)監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)，其中，在3月22日以前，DK6+321和DK6+316兩個(gè)斷面的初支結(jié)構(gòu)已經(jīng)封閉。繪制曲線圖時(shí)，為了方便分析，把3月22日的累計(jì)沉降統(tǒng)一記為0，以后每天的變形依次疊加。

圖4為監(jiān)測斷面的拱頂沉降曲線，由圖4可以看出:拱頂沉降曲線近似為線性變化;越靠近掌子面，在相同監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)，拱頂沉降量越大，則變形曲線的斜率越小，其中DK6+286除外。

經(jīng)研究分析，DK6+286拱頂沉降反常有以下2個(gè)原因:

(1)該點(diǎn)的布設(shè)時(shí)間相對(duì)較晚，考慮到砂層的流變效應(yīng)，拱頂?shù)膰鷰r與初支結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形沒有充分的發(fā)展。

(2)該點(diǎn)距掌子面上臺(tái)階的距離僅有1 m左右，拱頂圍巖與掌子面的核心土連通性好，掌子面的變形約束相對(duì)較小，應(yīng)力釋放的路徑會(huì)偏向于掌子面，而拱頂位置的受力會(huì)相對(duì)減弱。

監(jiān)測斷面距掌子面距離S與拱頂沉降△的關(guān)系見表3。從表3中可以看出:當(dāng)0＜S＜2R時(shí)，隨著S值的增大拱頂沉降變形持續(xù)增大，但是速率較慢;當(dāng)S＞2R時(shí)，隨著S值增大，拱頂沉降變形繼續(xù)增大，且變化速率增大。也就是說，臨界的距離近似為2R，超出2R的范圍，兩者的相關(guān)度減弱。

根據(jù)3月22日至3月31日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，做出每個(gè)監(jiān)測斷面拱頂沉降與掌子面擠出變形數(shù)值的相關(guān)曲線，如圖5所示。其中掌子面擠出變形值，取的是每天掌子面5個(gè)測點(diǎn)擠出變形的平均值，由于擠出變形曲線變化趨勢(shì)相近，取平均值做出曲線有代表性。

圖4 監(jiān)測斷面的拱頂沉降

圖5 拱頂沉降與掌子面擠出變形的相關(guān)性曲線

表3 監(jiān)測斷面距掌子面距離與拱頂沉降的關(guān)系

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型與基本參數(shù)

4.1.1 計(jì)算模型

使用FLAC3D建立計(jì)算模型如圖6所示，開挖跨度為15.62 m，開挖高度為13.68 m，隧道埋深為80 m。

4.1.2 邊界條件

在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型兩側(cè)的位移，頂部承受上覆圍巖的自重應(yīng)力。

4.1.3 初始地應(yīng)力場

主要考慮自重應(yīng)力場，側(cè)壓力系數(shù)為0.9。

4.1.4 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算參數(shù)的選取見表4，其中，初支結(jié)構(gòu)為c20噴射混凝土和I25a工字鋼，拱架間距為0.5～0.7 m內(nèi)外雙層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)為φ8鋼筋，20 cm×20 cm，噴層厚度為33 cm;二襯為C45鋼筋混凝土，厚度60 cm;仰拱充填混凝土為C25素混凝土。旋噴樁等效為厚度0.53 m的等厚度護(hù)殼。

圖6 計(jì)算模型

表4 計(jì)算相關(guān)的參數(shù)

4.1.5 施工過程的模擬

開挖前先進(jìn)行超前水平旋噴樁預(yù)加固施工，樁長18 m，樁徑0.6 m，咬合0.1 m，范圍為上臺(tái)階下部處(上臺(tái)階頂部由于有部分砂卵石未施工旋噴樁);三臺(tái)階施工，上臺(tái)階為6.5 m，中臺(tái)階為2.5 m，下臺(tái)階為2 m，3個(gè)臺(tái)階跟進(jìn)長度10 m，開挖進(jìn)尺為0.7 m，計(jì)算中設(shè)定為1 m;開挖完成后跟進(jìn)初支，并施工鎖腳旋噴樁;鎖腳旋噴樁長8 m，施工在上臺(tái)階和中臺(tái)階腳處;仰拱跟進(jìn)距離為35 m，步距5 m;等初支變形基本穩(wěn)定后再進(jìn)行二襯施工，因此二襯對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力影響不大，計(jì)算中暫不考慮。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算模型見圖7，由于模型沿x=0對(duì)稱，因此選取右半側(cè)的模型進(jìn)行計(jì)算。模型水平方向半長40 m，上、下各40 m，軸向長80 m，共計(jì)28 960個(gè)單元，31 671個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 426個(gè)結(jié)構(gòu)單元和1 895個(gè)節(jié)點(diǎn)。主要模擬掌子面封閉后，仰拱跟進(jìn)的施工過程，仰拱共開挖4次，依次為4 m、3 m、3 m、8 m，計(jì)算模型如圖7所示，共分為5種工況。

圖7 計(jì)算工況示意圖

建模過程中，掌子面5個(gè)測點(diǎn)不在單元節(jié)點(diǎn)上，采用差分的原理，取兩個(gè)單元的差分值，由于1號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)布設(shè)位置基本對(duì)稱，計(jì)算擠出變形時(shí)，是用兩組相同的節(jié)點(diǎn)差分的，所以1號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)的數(shù)值相同。在仰拱跟進(jìn)施工過程中，掌子面測點(diǎn)的擠出變形曲線如圖8所示，從圖8中可以看出:數(shù)值計(jì)算的擠出變形的數(shù)值與本文測量得到的數(shù)值接近;掌子面上方部位的擠出變形比下方的部位的擠出變形要大;在仰拱每次開挖的長度與掌子面的擠出變形值正相關(guān)，單次開挖長度越長，擠出變形越大。以上3點(diǎn)與監(jiān)測結(jié)果分析相吻合，進(jìn)一步說明了監(jiān)測結(jié)果分析的可靠性。

由于模型長度的原因，本文只取到掌子面前方4組監(jiān)測斷面的拱頂沉降數(shù)據(jù)，在仰拱跟進(jìn)施工過程中，隧道拱頂沉降曲線如圖9所示。從圖9中可以看出:數(shù)值計(jì)算的拱頂沉降的數(shù)值與本文測量得到的數(shù)值相近;越靠近掌子面，拱頂沉降的數(shù)值越大;在仰拱每次開挖的長度與監(jiān)測斷面的拱頂沉降值正相關(guān)，單次開挖長度越長，拱頂沉降變形越大。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，做出各個(gè)監(jiān)測斷面拱頂沉降與掌子面擠出變形數(shù)值的相關(guān)曲線，如圖10所示，其中，掌子面擠出變形值，取的是每種工況下掌子面5個(gè)測點(diǎn)擠出變形的平均值。從圖10中可以看出:掌子面擠出變形與拱頂沉降變形近似呈線性關(guān)系;隨著監(jiān)測斷面距掌子面的距離越近，曲線的斜率越大，也就是說相關(guān)程度越高。這與本文對(duì)監(jiān)測結(jié)果分析是一致的，進(jìn)一步驗(yàn)證了掌子面擠出變形和拱頂沉降變形之間存在較高的相關(guān)性。

圖8 擠出變形曲線

圖9 拱頂沉降變形曲線

圖10 拱頂沉降變形與擠出變形相關(guān)曲線

5 結(jié)論

本文以某軟弱砂質(zhì)圍巖隧道為研究背景，采用理論分析、監(jiān)控量測和數(shù)值計(jì)算等研究手段，研究了在整個(gè)掌子面封閉后仰拱跟進(jìn)期間掌子面擠出變形規(guī)律，對(duì)掌子面擠出變形和拱頂沉降變形之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明:

(1)掌子面上方位置的擠出變形值要比下方位置的擠出變形值大。

(2)仰拱施工距掌子面的距離L＞4R時(shí)，施工對(duì)掌子面擠出變形影響很小，可以忽略;仰拱施工距掌子面的距離2R＜L＜4R時(shí)，隨著L的減小，掌子面擠出變形持續(xù)增大，在L≈3R處，累計(jì)變形速率發(fā)生變化，變化速率增大;仰拱施工距掌子面的距離L＜2R時(shí)，隨著L的減小，累計(jì)變形呈減小趨勢(shì)，下降速率快。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明:在仰拱每次開挖的長度與掌子面的擠出變形值正相關(guān)，單次開挖長度越長，擠出變形越大;另外，通過數(shù)值計(jì)算，得出了掌子面擠出變形與拱頂沉降變形相關(guān)曲線，在此基礎(chǔ)上，可以通過對(duì)掌子面后方拱頂沉降變形值來估算掌子面的擠出變形值，從而對(duì)掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

(4)數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果表明:掌子面擠出變形與拱頂沉降變形之間近似線性相關(guān)，擠出變形越大，則拱頂沉降變形越大，因此，可以通過采取針對(duì)掌子面的加固措施來控制拱頂?shù)某两底冃巍?/p>

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