軟弱圍巖條件下的隧道施工技術(shù)研究

張　紅, 劉艷杰, 劉旭東

(1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程系， 河南 平頂山　467000；　2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 園藝園林學(xué)院， 河南 中牟　451450；　3西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院, 四川 成都　610031)

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軟弱圍巖條件下的隧道施工技術(shù)研究

張紅1, 劉艷杰2, 劉旭東3

(1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程系， 河南 平頂山467000；2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 園藝園林學(xué)院， 河南 中牟451450；3西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院, 四川 成都610031)

對在建工程六盤水隧道施工工藝進(jìn)行研究，從理論與實(shí)際兩個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合有限元計(jì)算，驗(yàn)算了開挖過程中隧道的受力情況以及變形沉降情況，對施工路段進(jìn)行現(xiàn)場沉降量的監(jiān)測，及時(shí)將監(jiān)測結(jié)果反饋給施工方。最終得到理論計(jì)算值的拱頂沉降量為15.31 mm，實(shí)際監(jiān)測值拱頂沉降量為14.20 mm；對開挖過程中的圍巖內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，可知最大彎矩值為4.92 kN·m，產(chǎn)生于洞口拱腳處，最大軸力值為172.4 kN，產(chǎn)生于洞口拱腰處，與監(jiān)測結(jié)果基本符合，結(jié)果表明當(dāng)前施工工藝具備較高的安全系數(shù)。

有限元計(jì)算; 變形; 隧道開挖; 沉降值

0　引言

我國地大物博，國土面積遼闊，各地區(qū)之間互通有無，公路運(yùn)輸顯得十分重要。由于我國多山地與丘陵，修建盤山公路線路漫長，耗油量增多，給交通運(yùn)輸業(yè)帶來不必要的浪費(fèi)，相比于此，隧道建設(shè)因其獨(dú)有的優(yōu)勢，是山地丘陵區(qū)域交通建設(shè)的首選方案。隨著我國綜合國力的不斷提高以及建設(shè)水平的不斷進(jìn)步，針對不同圍巖地質(zhì)條件，隧道施工方案也有所不同[1]。在隧道施工建設(shè)中，新奧法是公路隧道建設(shè)的主要方法，該方法考慮全面，利用圍巖的自穩(wěn)定性能力，結(jié)合隧道開挖空間與時(shí)間效應(yīng)，采取支護(hù)手段為將噴射混凝土與錨桿結(jié)合在一起，進(jìn)行圍巖的松弛與變形控制[2]，最終使得錨桿、混凝土以及圍巖共同承載山體壓力。

在軟巖條件下，山體的開挖必然引起圍巖的變形以及土體擾動(dòng)，進(jìn)而使得隧道發(fā)生變形位移，出現(xiàn)應(yīng)力重分布問題。如果變形位移超過一定限度，就會(huì)危及地面建筑或者產(chǎn)生隧道事故，造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)安全問題。因此尤其是在軟巖隧道施工建設(shè)過程中，必須對隧道變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并基于沉降變形提出可靠性預(yù)測控制方法。針對隧道施工引起的變形問題，國內(nèi)外都進(jìn)行了較為深入的研究。在國外，美國科學(xué)家派克[3]提出了盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)法，給出了地面沉降量的估算公式。日本在城市隧道建設(shè)中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，日本著名科學(xué)家半谷根據(jù)隧道覆蓋層條件以及隧道開挖面給出了最大地面沉降范圍，預(yù)測了最大沉降量[4]。在國內(nèi)，方曉陽等人[5]在派克法基礎(chǔ)上考慮了地層詳細(xì)條件以及襯砌剛度施工條件等問題，得出了相應(yīng)的最大最小沉降曲線，給出了一個(gè)沉降范圍。隧道的變形沉降與圍巖條件以及施工方案都是密不可分的，本文主要考慮軟巖條件下的隧道變形，從理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測兩個(gè)角度出發(fā)，對隧道工程的施工工藝以及隧道變形問題加以研究，旨在為隧道建設(shè)技術(shù)進(jìn)步做出自己的一份貢獻(xiàn)。

1　軟巖特性與施工工藝

1.1軟巖特性

軟巖可分為工程軟巖與地質(zhì)軟巖兩大類，工程軟巖指在工程力作用下產(chǎn)生顯著變形的工程巖體。根據(jù)巖性劃分，工程軟巖指強(qiáng)度低，膠結(jié)程度差，含有大量膨脹粘性土的松散軟弱巖層，該類巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于25 MPa，屬天然復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)。隧道工程對圍巖的硬度要求較高，根據(jù)圍巖的硬度級(jí)別不同，必須研制合理的支護(hù)方案，在進(jìn)行隧道工程時(shí)，首先需了解隧道圍巖類型以及巖性分布。根據(jù)塑性變形機(jī)理不同，將工程軟巖分為四類：膨脹性軟巖、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖以及復(fù)合型軟巖。隧道開挖后，原有天然應(yīng)力遭到破壞，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，這種變化導(dǎo)致洞口發(fā)生變形，隨著洞口變形，圍巖發(fā)生擴(kuò)容與拓展，力學(xué)性質(zhì)不斷惡化，當(dāng)裂縫節(jié)理傾角大于300°時(shí)，存在較大危險(xiǎn)性。尤其隧道穿過斷層破碎帶時(shí)，隧道穩(wěn)定性難以維護(hù)，屬工程不良地段。軟巖失穩(wěn)坍塌是由于開挖施工過程中引起的應(yīng)力重分布強(qiáng)度超過圍巖強(qiáng)度造成的，一般在隧道底板破壞形式為底鼓現(xiàn)象，側(cè)幫破壞形式為潰曲性破壞，頂部破壞形式為塌落。

1.2施工工藝

以在建貴州六盤水隧道工程為例，六盤水隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，地層種類多樣，包括沖洪積黃土狀土、殘破層碎石、泥質(zhì)條帶灰?guī)r以及黑云斜長麻巖，屬軟巖地質(zhì)條件。隧道施工工程因素主要包括隧道的方位、形狀、斷面尺寸、以及支護(hù)形式開挖方式等。六盤水隧道洞口采取橢圓形形狀，圓形或者橢圓形洞口不會(huì)在邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中。斷面尺寸影響主要體現(xiàn)在跨度對隧道穩(wěn)定性影響，跨度越大，施工過程中切斷圍巖結(jié)構(gòu)面越多，導(dǎo)致天然應(yīng)力破壞越嚴(yán)重。隧道開挖過程，結(jié)合軟巖特性進(jìn)行力學(xué)分析，采取臺(tái)階法進(jìn)行隧道開挖施工，施工工況分為如下5個(gè)步驟： ①上臺(tái)階開挖； ②上臺(tái)階噴射混凝土及錨固； ③下臺(tái)階開挖； ④下臺(tái)階噴射混凝土及錨固； ⑤施作二次襯砌；如圖1所示。

在隧道開挖掘進(jìn)過程中，需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，防止圍巖形成較大塑性區(qū)，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。軟巖支護(hù)形式采取及時(shí)錨噴支護(hù)(見圖2)，錨噴支護(hù)后進(jìn)行二次襯砌。

圖1　施工步驟設(shè)計(jì)Figure 1　Construction procedure design

圖2　噴射混凝土及錨桿結(jié)構(gòu)圖Figure 2　Structure of shotcrete and rock bolt

2　二維數(shù)值分析

對軟巖隧道進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算，采取二維數(shù)值分析法，制定施工方案、分析現(xiàn)場觀測現(xiàn)象模擬工程不良工況，保障施工安全。通過施工力學(xué)數(shù)值分析，建立平面模型，研究了軟巖隧道開挖以及初期支護(hù)、二次砌襯過程中的變形受力情況，為施工方案設(shè)計(jì)以及施工安全提供基礎(chǔ)。

2.1有限元模型建立

假設(shè)圍巖與襯砌為連續(xù)介質(zhì)，采取實(shí)體單元模擬，梁單元由兩節(jié)點(diǎn)組成，具備抗拉、抗彎、抗剪、抗扭剛度，單元位移計(jì)算如下所示，梁單元內(nèi)力如圖3所示：

u=zβy(x)

(1)

式中:μ為x方向位移;z為z方向坐標(biāo)，應(yīng)變與曲率計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中:εb為彎曲應(yīng)變;γs為剪切應(yīng)變;κy為對y軸曲率。

2.2計(jì)算參數(shù)選取

圖3　梁單元內(nèi)力示意圖Figure 3　Schematic diagram of beam element

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及隧道地質(zhì)勘查報(bào)告，選取各物理參數(shù)如表1所示。

表1 隧道數(shù)值計(jì)算物理參數(shù)Table1 Physicalparametersoftunnelnumericalcalculation材料名稱厚度h/m長度l/m彈性模量E/MPa泊松比u容重r/(kn·m-3)粘聚力C/kPa摩擦角φ/(°)側(cè)壓力系數(shù)e圍巖10000.452050200.5加固圈13000.452065260.5噴射混凝土0.26210000.2523錨桿3.52100000.378.5二次襯砌0.5295000.1825

2.3二維計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1地層沉降

圖4、圖5分別為上臺(tái)階開挖與二襯施作階段隧道圍巖豎向變形云圖，由圖可知: 圍巖拱頂處產(chǎn)生最大下沉變形，地板處產(chǎn)生隆起變形。施工最大沉降量均產(chǎn)生在隧道中心線處，左右沉降逐步減小呈對稱分布。在洞口的1～1.5倍直徑范圍內(nèi)，等值線密集，可知隧道變形的主要影響范圍為洞口直徑的1～1.5倍。

圖4　上臺(tái)階開挖Figure 4　Upper bench excavation

圖5　二襯施作Figure 5　Lining construction

經(jīng)數(shù)值模擬的拱頂最終沉降量為15.31 mm，其中上臺(tái)階開挖階段拱頂沉降量最大，占施工階段總沉降量的44%，上臺(tái)階支護(hù)階段拱頂沉降量占35%，可知拱頂沉降主要是由于上半段開挖導(dǎo)致的，下臺(tái)階支護(hù)完成以后，沉降基本完成，各階段沉降情況如圖6所示。

圖6　各施工步拱頂沉降圖Figure 6　Settlement of arch crown settlement in each construction step

2.3.2二襯施作

圖7為二襯施作階段噴射混凝土軸力圖以及彎矩圖，由圖可知，軸力彎矩均呈對稱分布，彎矩最大值產(chǎn)生在拱腳處，為4.92 kN·m，軸力最大值產(chǎn)生在拱腰處，為172.4 kN。在施工過程中，必須確保拱腰處的鎖腳錨桿施工質(zhì)量，可對拱腳部位混凝土噴射適當(dāng)增厚。

(a) 軸力值 (b) 彎矩值

Figure 7Axial force and bending moment of the shotcrete in the process of two lining

3　變形監(jiān)測

隧道開挖施工過程中，需對圍巖變形實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控測量(見圖8)，及時(shí)將獲取監(jiān)測信息反饋給設(shè)計(jì)施工，避免發(fā)生坍塌等安全事故。根據(jù)以往隧道監(jiān)測成功經(jīng)驗(yàn)，在監(jiān)測過程中出現(xiàn)以下情況，需立即停止施工并采取處理措施: ①混凝土支護(hù)出現(xiàn)較大開裂； ②隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形超過控制基準(zhǔn)值； ③監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)不斷增大趨勢; ④時(shí)態(tài)曲線長時(shí)間變緩。

圖8　拱頂與地表測點(diǎn)布置

3.1拱頂下沉監(jiān)測

采用鑿巖機(jī)在拱頂處開挖孔徑為40～80 mm，深度250 mm的孔作為測點(diǎn)，測點(diǎn)布設(shè)間距20 cm，填滿水泥砂漿插入預(yù)埋件，使預(yù)埋件稍孔處于鉛錘位置，做好保護(hù)帽，待砂漿凝固后進(jìn)行測量。測量儀器采用全站儀，數(shù)據(jù)采集采用JSS30型收斂計(jì)。測量結(jié)果如圖9所示。

圖9　測點(diǎn)時(shí)間-拱頂沉降曲線圖Figure 9　Time settlement curve of the measured point

結(jié)合施工進(jìn)度計(jì)劃表可知: 7月12日～7月16日處于上臺(tái)階開挖階段，沉降量為5.32 mm，7月16日～7月28日處于上臺(tái)階噴射混凝土錨固階段，沉降量為3.45 mm。7月28日～8月18日處于下臺(tái)階開挖階段，沉降量為2.99 mm；8月18日～8月27日處于下臺(tái)階噴射混凝土錨固階段，沉降量為2.08 mm，此時(shí)拱頂沉降基本完畢，可進(jìn)行二次襯砌，在二次襯砌階段，拱頂沉降量僅為0.06 mm。監(jiān)測沉降結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值變化趨勢以及數(shù)據(jù)大小(見圖6)基本一致。

3.2地表沉降監(jiān)測

地表沉降監(jiān)測分為基點(diǎn)布設(shè)與測點(diǎn)布設(shè)，基點(diǎn)共設(shè)置6個(gè)，分別埋設(shè)在隧道正上方地表15 m以外兩側(cè)位置，所有基點(diǎn)與附近水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，取得基點(diǎn)原始高程。測點(diǎn)預(yù)埋件采取平圓頭鋼筋制成，選取待測位置，隧道正上方為第一監(jiān)測點(diǎn)，左右每間隔3 m布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測半徑為15 m，每一斷面共布設(shè)11個(gè)測點(diǎn)，測坑開挖尺寸為200*200*200 mm正方體形狀，放入測點(diǎn)預(yù)埋件，用砼填實(shí)，待砼固結(jié)，對所有測點(diǎn)基點(diǎn)加以保護(hù)。下方隧道開挖時(shí)即可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，測點(diǎn)布置與隧道內(nèi)沉降測量測點(diǎn)位于同一斷面內(nèi)，采取精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，自開挖階段起至二次襯砌前期，沉降結(jié)果見圖10。

圖10　各測點(diǎn)地表下沉變化值Figure 10　Change of surface subsidence at different points

通過圖10可知: 在軟巖條件下，位于隧道正上方地表左右寬度10 m范圍內(nèi)均產(chǎn)生不同程度沉降，沉降值自隧道正上方沿兩側(cè)逐漸緩慢減小，沒有突變，最大沉降值出現(xiàn)在隧道正上方，約為18 mm。

4　結(jié)論

本文研究了建六盤水隧道工程施工工藝，并基于現(xiàn)行施工工藝進(jìn)行了力學(xué)數(shù)值計(jì)算與隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，得出如下主要結(jié)論：

① 采取有限元軟件對隧道受力情況進(jìn)行驗(yàn)算，得到理論計(jì)算值拱頂沉降值為15.31 mm，最大彎矩值為4.92 kN·m，產(chǎn)生于洞口拱腳處，最大軸力值為172.4 kN，產(chǎn)生于洞口拱腰處。

② 施工部分進(jìn)行現(xiàn)場沉降量的監(jiān)測，得到拱頂實(shí)際沉降量為14.20 mm，位于隧道正上方地表左右寬度10 m范圍均產(chǎn)生不同程度沉降，隧道正上方沉降值約為18 mm，與拱頂沉降值偏差不大。

③ 通過理論值與監(jiān)測值對比可知，二者基本一致，表明現(xiàn)行的施工技術(shù)是安全可靠的，六盤水隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，軟巖情況多變，需實(shí)時(shí)做好監(jiān)測工作并及時(shí)反饋于施工部門，針對不同軟巖條件做出相應(yīng)的施工技術(shù)調(diào)整，以免導(dǎo)致事故。

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Research on the Construction Technology of Tunnel under the Condition of Weak Surrounding Rock

ZHANG Hong1, LIU Yanjie2， LIU Xudong3

(1.Henan Engineering Vocational College Construction Engineering Quality, Pingdingshan， Henan 467000， China；2.Henan Vocational College of Agriculture , Zhongmu, Henan 451450, China；3.Southwest Jiaotong University School of Transportation and Logistics, Chengdu, Sichuan 610031, China)

To study in the construction process of Liupanshui tunnel construction, from both the theoretical and practical perspectives of combining finite element calculation, checking the excavation process in tunnel and settlement deformation, for road construction site settlement monitoring, timely monitoring results feedback to the construction side. Finally get the theoretical calculation value of vault settlement value for 15.31 mm and actual monitoring value vault settlement for 14.20 mm; the excavation process of rock mass stress were calculated, shows that the maximum bending moment values generated in the tunnel arch foot, 5.08 kN·m. The maximum axial force value produced in the arch of the waist, 177.2 kN·m, and monitoring results basically accord with. The results show that the current construction technology has a high safety factor.

finite element calculation; deformation; tunnel excavation; sedimentation value

2016 — 05 — 31

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究(132300410118)

張紅(1977 — )，女，河南平頂山人，工程碩士，講師，研究方向 ：工程測量與工程施工方向的研究。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0145 — 05