昌寧高速石馬隧道圍巖穩(wěn)定性分析

王學(xué)增

(中交一公局橋隧工程有限公司，河北高碑店074000)

昌寧高速石馬隧道圍巖穩(wěn)定性分析

王學(xué)增*

(中交一公局橋隧工程有限公司，河北高碑店074000)

以江西昌寧高速石馬隧道為例，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值計(jì)算的方法，分析評(píng)價(jià)了該隧道在施工全過(guò)程的圍巖穩(wěn)定性情況。分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案實(shí)際可行，現(xiàn)場(chǎng)隧道實(shí)際變形量較小，硐室安全穩(wěn)定。

隧道；監(jiān)控測(cè)量；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

1 工程概況

南昌至寧都高速公路岡上至寧都段是起于南昌縣岡上鎮(zhèn)境內(nèi)的滬昆高速公路上，經(jīng)南昌縣、豐城市、樂(lè)安縣、永豐縣，終于寧都縣賴村鎮(zhèn)境內(nèi)的泉南高速公路上，路線全長(zhǎng)248.601km。石馬隧道為一分離式隧道，其起止樁號(hào)為ZK175＋035～ZK178＋195，隧道長(zhǎng)度為3160m，凈空寬×高為10.75m×5m，該隧道屬于公路特長(zhǎng)隧道。進(jìn)洞口左線設(shè)計(jì)標(biāo)高302.019m，右線設(shè)計(jì)標(biāo)高302.132m，隧道洞軸線走向大致為南至北走向。

2 施工方案

隧道洞身圍巖主要為Ⅳ級(jí)圍巖，采用超前錨桿預(yù)注漿預(yù)加固，開(kāi)挖施工采用中長(zhǎng)臺(tái)階法，盡量采用人工配合挖機(jī)開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在2m以內(nèi)（破碎帶及淺埋段每循環(huán)進(jìn)尺控制在1.4m以內(nèi)）。臺(tái)階長(zhǎng)度控制在15～30m，裝載機(jī)配合大型運(yùn)輸車(chē)裝渣運(yùn)輸。施工順序：上半斷面開(kāi)挖→上半斷面支護(hù)→下半斷面開(kāi)挖→下半斷面支護(hù)→仰拱、填充→拱墻襯砌。

隧道開(kāi)挖分為上臺(tái)階、下臺(tái)階、仰拱3個(gè)部分分部開(kāi)挖：上臺(tái)階長(zhǎng)度15～30m，每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2榀鋼架間距；仰拱每次開(kāi)挖及支護(hù)不超過(guò)6m，每組仰拱填充砼澆筑長(zhǎng)度12m，仰拱距掌子面距離不大于50m，襯砌距掌子面距離不大于90m。上臺(tái)階開(kāi)挖，開(kāi)挖作業(yè)高度5.0m，裝載機(jī)裝渣，人工搭設(shè)簡(jiǎn)易操作平臺(tái)，鉆眼、裝藥、引爆，每循環(huán)進(jìn)尺2m左右，開(kāi)挖一環(huán)后立即噴混凝土3～5cm，及時(shí)按設(shè)計(jì)要求打錨桿，掛網(wǎng)、安裝鋼支撐，并打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行固定。鋼支撐懸空或者底部不密實(shí)時(shí)，在底部安裝砼墊塊。利用上臺(tái)階挖掘機(jī)扒渣及安裝鋼支撐、鋼筋網(wǎng)時(shí)間同步在下臺(tái)階采用裝載機(jī)配合自卸汽車(chē)出渣，出渣完畢后立即噴混凝土3～5cm，及時(shí)按設(shè)計(jì)要求打錨桿，掛網(wǎng)、安裝鋼支撐，并打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行固定。上下臺(tái)階同時(shí)噴射砼封閉。開(kāi)挖仰拱，每循環(huán)進(jìn)尺不大于6m，施作初期支護(hù)，仰拱砼澆筑每模長(zhǎng)度6m，仰拱施工期間通過(guò)棧橋保持通行。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

有限元模型區(qū)域取約5倍洞徑范圍，區(qū)域高60.0m、寬130.0m，其中隧道位于模型區(qū)域中心，有限元計(jì)算按照平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，計(jì)算單元采用四邊形及三角形單元，計(jì)算模型共有單元5072個(gè)、節(jié)點(diǎn)7791個(gè)，其中隧道開(kāi)挖區(qū)域單元720個(gè)，節(jié)點(diǎn)1083個(gè)，計(jì)算模型左、右邊界和下邊界施加豎直方向和水平方向的約束。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果

圖1是隧道下臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖位移場(chǎng)等值線云圖，其中豎向位移向上為正，向下為負(fù)，水平位移向左為正，向右為負(fù)，位移單位為米。

由圖1可見(jiàn)，拱頂最大沉降量為6mm，同時(shí)拱底向上抬升，其最大位移值為3mm，而隧道周邊圍巖水平位移的總體趨勢(shì)為使隧道徑向收斂，但位移量較小。隧道開(kāi)挖后，由于圍巖應(yīng)力重新分布，在圍巖局部應(yīng)力集中的區(qū)域會(huì)造成圍巖剪切破壞或拉伸破壞。隧道周邊圍巖在開(kāi)挖后，拱腳附近的圍巖處于塑性狀態(tài)，呈現(xiàn)剪切破壞。通過(guò)塑性圖可知隧道此斷面處圍巖的自穩(wěn)性較差，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為驗(yàn)證上述理論計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)石馬隧道的圍巖變形情況進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)控量測(cè)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀，凈空收斂監(jiān)測(cè)采用收斂尺。圖2為石馬隧道ZK175+900處拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 隧道開(kāi)挖后的豎向位移（m）

圖2 拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖2可以看出，隧道開(kāi)挖后拱頂發(fā)生沉降，在25d左右變化穩(wěn)定，最終沉降量為7.5mm，凈空收斂在10d左右穩(wěn)定，收斂值為3～5mm。

5 結(jié)論

（1）江西昌寧高速石馬隧道，隧道洞身圍巖條件較差，主要以Ⅳ級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)采用超前錨桿預(yù)注漿加固，開(kāi)挖施工采用中長(zhǎng)臺(tái)階法。數(shù)值計(jì)算表明，隧道豎向位移和水平向位移較小，隧道開(kāi)挖后拱腳附近的圍巖處于塑性狀態(tài)，呈剪切破壞?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)表明數(shù)據(jù)前期變化較大，后期不斷穩(wěn)定，隧道總體變化量較小。

（2）隧道總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)方案實(shí)際可行，但開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，防止塑性區(qū)持續(xù)發(fā)展，造成硐室失穩(wěn)。

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U452.12

A

1004-5716(2015)12-0163-02

2014-12-13

2014-12-17

王學(xué)增（1986-），男（漢族），山東聊城人，助理工程師，現(xiàn)從事公路工程施工工作。