順層偏壓地段隧道施工模擬及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

□文/張毅 馬龍

順層偏壓地段隧道施工模擬及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

□文/張毅 馬龍

通過(guò)某隧道數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。同時(shí)為順層偏壓隧道施工提供了科學(xué)的施工措施。

順層偏壓；隧道；數(shù)值模擬；監(jiān)控測(cè)量

堡鎮(zhèn)隧道DK71+50～DK72+560段，隧道洞軸平行地層走向，巖層傾向山體（傾向右側(cè)），傾角40°～50°，存在偏壓，隧道埋深100～200 m，計(jì)算埋深為150 m，圍巖為Ⅳ。為研究順層偏壓環(huán)境下隧道施工的安全性，采用巖土工程分析軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬。

1　計(jì)算工況

根據(jù)隧道地質(zhì)情況，隧道采用三臺(tái)階五步開(kāi)挖方法。三臺(tái)階五步開(kāi)挖法適用于各種地質(zhì)條件和地下水條件，根據(jù)圍巖變化可通過(guò)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留沉降量等措施，有效控制拱頂沉降、凈空收斂；通過(guò)合理臺(tái)階高度劃分，簡(jiǎn)易鉆孔臺(tái)架搭、拆方便、快速減少工序時(shí)間；三臺(tái)階順序施工，出碴、錨桿施做、鋼拱架架立等工序可平行作業(yè)，及時(shí)支護(hù)保證結(jié)構(gòu)安全同時(shí)減少循環(huán)作業(yè)時(shí)間；適合各種斷面形式，變化斷面高度靈活。上臺(tái)階開(kāi)挖后立即支護(hù)，開(kāi)挖2 m一進(jìn)尺；掌子面開(kāi)挖（三臺(tái)階五步開(kāi)挖方法）嚴(yán)禁左右側(cè)對(duì)開(kāi)，中臺(tái)階和下臺(tái)階兩側(cè)交錯(cuò)距離6 m，開(kāi)挖2 m一進(jìn)尺。隧道斷面形式和三臺(tái)階五步開(kāi)挖法見(jiàn)圖1。

圖1　三臺(tái)階五步開(kāi)挖法施工順序

2　計(jì)算模型及參數(shù)

2.1計(jì)算模型

此數(shù)值模擬時(shí)以Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)支護(hù)進(jìn)行參數(shù)選取，隧道Ⅳ級(jí)圍巖。整個(gè)計(jì)算模型在x、y、z三個(gè)方向尺寸為70 m×50 m×204.2 m，y軸正向?yàn)樗淼篱_(kāi)挖方向，z軸向上為正。計(jì)算模型見(jiàn)圖2、局部網(wǎng)格放大見(jiàn)圖3。數(shù)值計(jì)算采用ubiquitous遍歷節(jié)理模型，巖體的剪切屈服采用非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，受拉屈服采用關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，隧道開(kāi)挖采用null模型實(shí)現(xiàn)。

圖2　flac3d三維計(jì)算模型

圖3　局部網(wǎng)格放大

2.2計(jì)算參數(shù)選取

DK71+50～DK72+560段隧道主要穿越Ⅳ級(jí)圍巖，因此，選?、艏?jí)圍巖參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，加固圈參數(shù)按圍巖參數(shù)提高30%考慮。初期支護(hù)采用加固圈和噴射混凝土，加固圈厚度為3 m，噴射混凝土厚度為20 cm，圍巖和節(jié)理及加固圈參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　圍巖和支護(hù)參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果及分析

為了解隧道開(kāi)挖后對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，本計(jì)算選取y=3隧道斷面初期支護(hù)拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)以了解施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)受力是否對(duì)稱，對(duì)拱頂沉降、墻腰內(nèi)部5 m內(nèi)的位移以及最大水平收斂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止隧道變形過(guò)大影響施工。

3.1應(yīng)力分析

對(duì)y=3隧道斷面初期支護(hù)拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳最大壓應(yīng)力進(jìn)行分析。y=3斷面在隧道開(kāi)挖40步后圍巖壓力分別為拱頂4.8 MPa、左拱腰1 MPa、左拱腳1 MPa、左墻腰1.6 MPa、左墻腳0.8 MPa、右拱腰2.5 MPa、右拱腳4.6 MPa、右墻腰2.3 MPa、右墻腳1.7 MPa?？梢钥闯鏊淼拦绊敽陀夜澳_應(yīng)力值比較大，拱頂最大壓應(yīng)力為4.49 MPa，右拱腳最大壓應(yīng)力值為4.64 MPa；隧道左側(cè)圍巖壓應(yīng)力比右側(cè)小，由于斷面處于單斜構(gòu)造（傾向右側(cè)），巖層傾角約50°，同時(shí)節(jié)理發(fā)育。隧道開(kāi)挖后，右側(cè)巖體失去了支撐力，在水平向側(cè)壓力的作用下造成巖體向隧道內(nèi)變形，從而造成較大的圍巖壓力。而左側(cè)巖體雖然存在下滑的不利趨勢(shì)，但由于巖層間結(jié)合較好，沒(méi)有軟弱夾層，同時(shí)由于垂直于層面的作用力較大，因此制約了左側(cè)巖體的滑動(dòng)，從而左側(cè)圍巖壓力較小。

圖4為隧道圍巖壓力隨開(kāi)挖步變化關(guān)系。從圖4可以看出，隧道各個(gè)位置的應(yīng)力隨開(kāi)挖步增加而增加，但是應(yīng)力值在第5步、12步、26步時(shí)有突變，各位置的應(yīng)力值突然減小然后增加，這步數(shù)正好時(shí)開(kāi)挖中臺(tái)階左部、中臺(tái)階右部、下臺(tái)階的時(shí)候。說(shuō)明中臺(tái)階開(kāi)挖破除了上臺(tái)階初期支護(hù)的下部支承，從而使初期支護(hù)圍巖壓力及初期支護(hù)應(yīng)力都出現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨后期邊墻支護(hù)的施作而又受?chē)鷰r應(yīng)力釋放影響而增大。下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖也對(duì)上部測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生同樣的影響。

圖4　隧道各監(jiān)測(cè)部位壓力隨開(kāi)挖步關(guān)系

3.2位移分析

圖5為隧道各監(jiān)測(cè)部位位移隨開(kāi)挖步關(guān)系。從圖5可以看出，拱頂沉降、拱腳水平位移隨隧道開(kāi)挖趨于穩(wěn)定，拱頂最大沉降為7.27mm，左拱腳水平位移為6.2mm，右拱腳水平位移為-4.78mm，水平收斂值為10.98 mm。

圖5　隧道各監(jiān)測(cè)部位位移隨開(kāi)挖步關(guān)系

表2為離洞壁5 m范圍內(nèi)圍巖內(nèi)部位移。從表2可以看出，在距離洞壁3 m深處，位移＜1 mm，說(shuō)明基本達(dá)到穩(wěn)定原巖區(qū)，因此設(shè)計(jì)加固圈半徑3 m是合理的。

表2　圍巖內(nèi)部位移計(jì)算結(jié)果

4　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

4.1初期支護(hù)圍巖壓力

本斷面共埋設(shè)9個(gè)初期支護(hù)圍巖壓力測(cè)點(diǎn)，分別為拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腰、左右墻角。拱頂壓力為0.021 MPa、左拱腰為0.052 MPa、左拱腳為0.027 MPa、左墻腰為0.04 MPa、左墻腳為0 MPa、右拱腰為0.023 MPa、右拱腳為0.116 MPa、右墻腰為0.059MPa、右墻腳為0.043 MPa。最大圍巖壓力發(fā)生在右側(cè)拱腳和右墻腰處，分別為0.116、0.059 MPa，右側(cè)圍巖壓力大于左側(cè)。

4.2初期支護(hù)混凝土應(yīng)力

本斷面共埋設(shè)9個(gè)初期支護(hù)圍巖壓力測(cè)點(diǎn)，分別為拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腰、左右墻角。拱頂壓力為5.323 MPa、左拱腰為2.642 MPa、左拱腳為0.955 MPa、左墻腰為1.577 MPa、左墻腳為0.596 MPa、右拱腰為5.89 MPa、右拱腳為3.48 MPa、右墻腰為3.151 MPa、右墻腳為2.151 MPa。最大應(yīng)力為拱頂5.323 MPa，其次為右側(cè)拱腰3.589 MPa。右側(cè)圍巖壓力大于左側(cè)。

4.3圍巖內(nèi)部位移

圍巖內(nèi)部位移測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　DK71+120斷面圍巖內(nèi)部位移觀測(cè)結(jié)果

4.4凈空收斂測(cè)試結(jié)果

墻腰最大凈空收斂值為7.346 mm。

5　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬比較

由數(shù)值模擬計(jì)算可得，在巖層走向與隧道軸線一致，巖層傾角為50°時(shí)，隧道開(kāi)挖后會(huì)產(chǎn)生偏壓且右側(cè)壓力大于左側(cè)，這與實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果是一致的。從圖4可以看出，在開(kāi)挖中臺(tái)階和下臺(tái)階時(shí)，初期支護(hù)壓力突然減小而后增大，從實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中也可以印證這一點(diǎn)。模擬計(jì)算水平收斂位移為10.98 mm，而實(shí)際測(cè)量值為7.346 mm，雖然有一定的誤差，但差值不是很大，這可能與監(jiān)測(cè)和模擬的位置誤差有關(guān)；從圍巖內(nèi)部位移比較看，雖然在數(shù)值上計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值不完全一樣，但得出的基本規(guī)律是一致的，在距洞壁3 m處位移值＜1 mm，都說(shuō)明采用加固圈半徑3 m或錨桿長(zhǎng)度3 m是合理的。

從以上幾點(diǎn)可以得出，此數(shù)值模擬可信，能夠模擬實(shí)際情況，能夠指導(dǎo)實(shí)際施工。

6　小結(jié)

1）在巖層走向與隧道軸線一致，巖層傾角為50°時(shí)，隧道開(kāi)挖后會(huì)產(chǎn)生偏壓且右側(cè)壓力大于左側(cè)。因此應(yīng)加強(qiáng)右側(cè)圍巖的支護(hù)，根據(jù)巖層的傾向和傾角，右側(cè)錨桿應(yīng)垂直于層面。

2）在距離洞壁3 m深處，位移基本在1 mm左右，說(shuō)明基本達(dá)到穩(wěn)定原巖區(qū)，因此設(shè)計(jì)加固圈半徑3 m或錨桿長(zhǎng)度3 m是合理的。

3）在開(kāi)挖中臺(tái)階和下臺(tái)階時(shí)，破除了上部臺(tái)階的下部支撐，使初期支護(hù)受力減小，施工中要盡可能保護(hù)好下部支撐。

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□馬龍/天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司。

U451+.1

C

1008-3197（2016）02-62-03

2015-12-22

張毅/男，1984年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事地鐵建設(shè)施工管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.021