天池坪隧道位移變形規(guī)律及控制措施分析

席俊杰，盧美嫣

(廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東廣州510000)

近年來，國內(nèi)外對于隧道施工過程中圍巖變形時空效應(yīng)研究取得了一定的成果，并將規(guī)律應(yīng)用到實際施工中，得到了良好的效果。北京交通大學(xué)的吳波，利用彈—黏塑性模型，對某城市淺埋隧道工程在開挖過程中地表和圍巖變形以及圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了成功的預(yù)報［1］。重慶大學(xué)的吳夢軍，利用“公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實驗系統(tǒng)(CTSSSRH)”，對大跨扁平連拱隧道的施工動態(tài)全過程進(jìn)行了三維物理模擬，分析了圍巖位移、應(yīng)力隨開挖步的變化規(guī)律，提出了大跨扁平連拱隧道施工時空效應(yīng)［2］。重慶交通大學(xué)的翁其能，探討了空間效應(yīng)和時間效應(yīng)相分離時隧道圍巖及支護(hù)的變形特性，并就現(xiàn)場的變形情況進(jìn)行了單獨(dú)的分析［3］。但國內(nèi)對于特定圍巖隧道施工變形的時間空間規(guī)律研究較少，難以掌握較為準(zhǔn)確的施工節(jié)點(diǎn)，在類似圍巖隧道施工過程中缺乏相關(guān)的指導(dǎo)經(jīng)驗。

1 工程概況及試驗段簡介

新建蘭渝鐵路天池坪隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道。隧道最大埋深1 500 m，洞身溝谷中最小埋深86 m，隧道全長14 521 m。隧道洞身通過的地層主要為第四系地層洪積、坡積粗角(圓)礫土、碎石土、三疊系砂巖、板巖、灰?guī)r及三者互層為主。該隧道所過地段未發(fā)育有斷層。試驗段里程DK286+482～DK286+492和DK286+512～DK286+525，對應(yīng)的監(jiān)測斷面里程為 DK286+487、DK286+520。

圖1 三臺階七步開挖法施工部序

兩個試驗段均采用三臺階七步開挖法施工，具體開挖方式及尺寸如上圖1所示，試驗段DK286+512～DK286+525在開挖上臺和中臺后，對左右側(cè)基底增設(shè)加固錨管，從而在其他支護(hù)條件不變的前提下，試驗通過增設(shè)基底加固錨管對隧道變形的控制作用。

將前期開挖斷面與試驗段開挖斷面比較，前后圍巖情況較為相似，主要圍巖為炭質(zhì)板巖，為薄層板巖，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層板狀構(gòu)造，走向與線路垂直，傾向出口，受構(gòu)造影響較重，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，扭曲現(xiàn)象多見，局部傾向進(jìn)口，石質(zhì)較軟。蘭渝鐵路在該區(qū)域的其他隧道標(biāo)段同樣遇到炭質(zhì)板巖大變形的問題，如圖2。

圖2 拱部圍巖狀況

2 有限元數(shù)值模型

由于對比需要，綜合考慮模型網(wǎng)格劃分及邊界效應(yīng)，建立兩個三維模型，為了保證模擬結(jié)果比較的正確性，兩個模型大樣的長、寬、厚度及劃分網(wǎng)格基本相同，圍巖定級為IV級，相應(yīng)的支護(hù)采用全環(huán)C25噴混凝土30 cm厚;拱部22組合中空錨桿，長6.0 m，間距1.0 m×0.8 m;邊墻22砂漿錨桿，長6.0 m，間距1.0 m×0.8 m;全環(huán)布設(shè)H175型鋼，間距0.6～0.8 m。試驗段DK286+512～+525基底加固錨管每延米共4處16根6.0 m長42小導(dǎo)管。圍巖及初期支護(hù)材料參數(shù)如下［4、6］:

表1 材料參數(shù)表

如圖3中的模型大樣，模型總寬度為110 m，總高度為100 m，總厚度為10 m，仰拱以下為47.56 m，隧道拱頂上覆土40 m，其余覆土用相應(yīng)的壓力值代替施加于模型頂部。

圖3 數(shù)值模擬整體模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬單元

3 實測數(shù)據(jù)曲線擬合及數(shù)值模擬結(jié)果

在隧道掘進(jìn)過程中，隧道拱頂沉降的時空效應(yīng)反映最為敏感，在同一里程點(diǎn)，拱部開挖工序先于其他工序，所以，其檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果也較為完整。在曲線擬合的過程中，利用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以下為監(jiān)測斷面的實測位移曲線擬合圖及數(shù)值模擬結(jié)果。

3.1 DK286+487斷面數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4 DK286+487斷面拱頂豎向位移數(shù)據(jù)

圖5 DK286+487斷面左側(cè)拱腰豎向位移數(shù)據(jù)

圖6 DK286+487斷面右側(cè)拱腰豎向位移數(shù)據(jù)

拱頂沉降對數(shù)擬合結(jié)果為y=－22.49+－61.816×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.912。左拱腰豎向位移對數(shù)擬合結(jié)果為y=40.383+－64.757×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.984。右拱腰豎向位移對數(shù)擬合結(jié)果為 y=47.802+－68.585×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.961。

圖7 DK286+487斷面拱部豎向位移數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

3.2 DK286+520斷面數(shù)據(jù)結(jié)果

圖8 DK286+520斷面拱頂豎向位移數(shù)據(jù)

圖9 DK286+520斷面左側(cè)拱腰豎向位移數(shù)據(jù)

圖10 DK286+520斷面右側(cè)拱腰豎向位移數(shù)據(jù)

拱頂沉降對數(shù)擬合結(jié)果為 y=(－19.51)－45.687×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.989;左拱腰豎向位移對數(shù)擬合結(jié)果為y=－31.339－24.796×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.92;右拱腰豎向位移對數(shù)擬合結(jié)果為 y=52.172－44.192×ln(x)，相關(guān)系數(shù)為0.953。

圖11 DK286+520斷面拱部豎向位移數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

3.3 綜合分析

天池坪隧道采用三臺階七步開挖法，每臺的作業(yè)速度為1循環(huán)/天，該循環(huán)作業(yè)包括開挖、鋼拱架及錨桿安裝、初期支護(hù)噴混凝土。施工現(xiàn)場每循環(huán)的進(jìn)尺為0.6 m。通過相應(yīng)斷面拱部不同部位的實測數(shù)據(jù)曲線比較，發(fā)現(xiàn)采用增加基底加固錨管的DK286+520斷面，在控制拱部沉降方面效果比較顯著，如表2所示。

相比較DK286+487斷面，DK286+520斷面拱頂實測沉降位移減小32%，數(shù)值模擬沉降位移減小13%;左側(cè)拱腰實測沉降位移減小53%，數(shù)值模擬沉降位移減小16%;右側(cè)拱腰實測沉降位移減小58%，數(shù)值模擬沉降位移減小24%。從實測和數(shù)值模擬兩方面結(jié)果看，在原支護(hù)基礎(chǔ)上增加基底加固錨管對于控制碳質(zhì)板巖隧道拱部沉降有良好的效果。

表2 不同斷面拱部豎向位移表

位移－時間變化規(guī)律如下:DK286+487、DK286+520斷面拱部沉降位移的變化分三個階段，即急速增加階段、穩(wěn)定增加階段、穩(wěn)定階段。拱部位移在急速增加階段位移增加速度快，累加位移占總位移量的比重大，約為總位移的50% ～60%;在位移穩(wěn)定增加階段后期，位移增速有逐步放緩的趨勢，累加位移占總位移量的比重相對較小，約占總位移的35%～40%。穩(wěn)定階段的位移基本穩(wěn)定，但由于圍巖應(yīng)力重新達(dá)到平衡需要的時間較長，該階段也可能繼續(xù)有微小位移增長，該階段累加位移占總位移量的比重約為0～5%。急速增加階段為該相應(yīng)部位開挖后1～13 d內(nèi)，增加減緩階段為該部位開挖后14～27 d內(nèi)，穩(wěn)定階段為該部位開挖28 d后。

位移－空間變化規(guī)律如下:拱部沉降變形受到上臺階和中臺階的開挖擾動影響大，上臺掌子面與拱部監(jiān)測點(diǎn)的距離在0～6 m范圍內(nèi)，拱部沉降明顯;上臺階掌子面與拱部監(jiān)測點(diǎn)的距離超過6 m后，中臺階掌子面的開挖對拱部監(jiān)測點(diǎn)的影響顯現(xiàn)，中臺階掌子面與拱部監(jiān)測點(diǎn)的距離在1.2～6.4 m范圍內(nèi)，拱部沉降速度逐漸減弱。下臺階開挖對于拱頂?shù)某两涤绊戄^小，當(dāng)下臺階掌子面與監(jiān)測點(diǎn)的距離超過2 m后，由于仰拱的施做，拱頂基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過實測和數(shù)值模擬的結(jié)果比較，采用三臺階七步開挖法過程中，對上中臺基底施作基底加固錨管能夠有效控制拱部沉降。拱部位移變化期分三個階段，即急速增加階段(相應(yīng)斷面拱頂部位開挖后1～13 d內(nèi));增加減緩階段(相應(yīng)斷面拱頂部位開挖后14～27 d內(nèi));穩(wěn)定階段(相應(yīng)斷面拱頂部位開挖后27 d后)。拱部沉降受到上臺階和中臺階開挖的影響比較大，當(dāng)上、中臺階掌子面與拱部監(jiān)測點(diǎn)的縱向距離在6 m范圍內(nèi)時尤為明顯。下臺階及仰拱的開挖對于拱部沉降的影響較小。

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