不同隧道開挖方法對隧道結(jié)構(gòu)的影響性分析

摘 要：隧道在施工期和運營期會發(fā)生沉降、變形和開裂等病害現(xiàn)象，這些問題的產(chǎn)生于隧道開挖的施工方法有很大的關(guān)系。針對某隧道開挖過程進行監(jiān)控，并對其中不同開挖方法對隧道結(jié)構(gòu)的影響狀況進行分析，并對不同開挖工法下隧道圍巖應(yīng)力、變形、襯砌沉降和錨桿的受力情況進行分析。

關(guān)鍵詞：圍巖應(yīng)力；隧道變形；仿真模擬

基金項目：重慶市教育委員會科學技術(shù)研究項目（KJ1735451，KJQN201803804）；重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室開放基金資助（LHSYS-2016-004）；重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院院級科研項目（K201707）

1 前言

由于有限元、FLA一類數(shù)值方法的運用，中國的隧道工程師已經(jīng)對隧道襯砌設(shè)計中的“荷載—反力”的模式作了必要的補充。在一定的條件下，要采用“整體模型”來理解圍巖和支護之間的相互關(guān)系，即把支護作為圍巖的邊界條件，從圍巖穩(wěn)定性角度來確認支護系統(tǒng)的可靠性。無論是在連續(xù)介質(zhì)力學的應(yīng)用，節(jié)理巖體分析，塊體平衡理論和計算方法的創(chuàng)立等方面，中國學者都作出了貢獻。在軟弱圍巖的支護系統(tǒng)設(shè)計中，形變壓力概念和“收斂—約束”模型也已被人們所接受。但是，由于隧道工程環(huán)境條件數(shù)量化表達方面的困難，常常會使得力學家們所提出一些理論和計算方法，難以對具體工程起到指導作用。因此，除了在計算理論中引入不確定性概念（隨機性和模糊性）外，建立在工程類比基礎(chǔ)上的經(jīng)驗方法在隧道設(shè)計中永遠有著不可取代的地位。作為工程類比的基礎(chǔ)，我國已提出以定性描述和定量指標相結(jié)合的“工程巖體分級標準”GB-50218-94。其中，定量指標除采用巖塊強度和節(jié)理統(tǒng)計資料外，還運用了彈性波的測試數(shù)據(jù)。此外，建立以既有工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的聚類分析和支護設(shè)計的模糊類比方法也已成為不少中國學者的注意點。與地面結(jié)構(gòu)物不同，隧道開挖前所提出的設(shè)計在嚴格意義上說只能稱做“預設(shè)計”。根據(jù)對隧道開挖過程中圍巖和支護系統(tǒng)力學行為的量測來論證和調(diào)整設(shè)計參數(shù)也是隧道設(shè)計中的一個十分重要的環(huán)節(jié)。本文針對不同隧道開挖工法對隧道施工過程的影響性進行分析。

2 工程概述

隧道全長為3.4公里，全路段的圍巖等級分別為Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖，針對圍巖的強度等級和地質(zhì)狀況，分別采用了全斷面開挖法、分臺階開挖法和左右分步開挖法，對應(yīng)位置隧道的埋深分別為50m、100m和300m。隧道的截面形式為三心圓加仰拱，采用噴錨支護形式，高寬比采用0.71。其中的物理力學參數(shù)如下：圍巖（Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖）彈性模量（E/GPa）分別為3.0、1.0、0.4；泊松比0.27、0.33、0.39；圍巖重度（kN/m3）為26、23、19；粘聚力（c/MPa）為0.5、0.2、0.03；內(nèi)摩擦角為37、32、29。錨桿的彈性模量（E/GPa）為216；泊松比為0.31；重度（kN/m3）為69。襯砌混凝土的彈性模量（E/GPa）為24；泊松比為0.31；重度（kN/m3）為33。

3 現(xiàn)場監(jiān)控分析

分別針對隧道施工開挖過程中拱頂、拱腰和底板位置的圍巖應(yīng)力進行分析，根據(jù)監(jiān)測的隧道圍巖應(yīng)力和仿真模擬的圍巖應(yīng)力進行對比分析，結(jié)果如下。隧道開挖是一個復雜的先加載后卸載的過程循環(huán)荷載易造成低強度圍巖發(fā)生屈服破壞，從而喪失穩(wěn)定性隧道開挖卸荷效應(yīng)表現(xiàn)：拱底最為明顯、拱頂次之、拱腰最弱主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱腰，在進行應(yīng)力監(jiān)控量測時首先應(yīng)考慮拱腰部位。

本文針對全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法、雙側(cè)壁導坑開挖法和臺階分步開挖法進行施工監(jiān)控，對其過程中的圍巖應(yīng)力、位移變形和錨桿的受力狀態(tài)進行分析研究。

各施工工法流程如下：

全斷面開挖法：隧道開挖-施做襯砌

單側(cè)壁導坑開挖法：開挖一號土體-施做襯砌-開挖二號土體-是做襯砌-開挖三號土體-施做襯砌-拆除臨空部分襯砌

雙側(cè)壁導坑開挖法：開挖一號土體-施做襯砌-開挖二號土體-是做襯砌-開挖三號土體-施做拱頂襯砌-開挖四號土體-施做襯砌-拆除臨空部分襯砌

臺階分步開挖法：開挖一號土體-開挖二號土體-開挖三號土體-施做襯砌-開挖四號土體-開挖五號土體-施做仰拱

3.1 開挖方法對圍巖應(yīng)力的監(jiān)測分析

按照上述施工工法經(jīng)過監(jiān)測圍巖應(yīng)力變化出現(xiàn)如下情況：對于拱頂圍巖應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)左右分步開挖方法對應(yīng)隧道拱頂圍巖應(yīng)力最大；對于仰拱圍巖應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)上下臺階分步開挖法中仰拱易出現(xiàn)拉應(yīng)力；對于拱腰圍巖應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法、雙側(cè)壁導坑開挖法三種開挖方式對σzz、σ1影響較小，臺階分步開挖法對應(yīng)σxx、σ3最小。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示全斷面開挖法局部區(qū)域產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力；拱腰高應(yīng)力區(qū)貼近開挖邊界。而上下開挖工法中拱腰圍巖高應(yīng)力區(qū)離開挖邊界一定距離。左右開挖工法圍巖中存在拉應(yīng)力分布區(qū)。

3.2 開挖方法對隧道變形的監(jiān)測分析

利用位移計對隧道拱頂位移狀況進行監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果如下。全斷面開挖法、單側(cè)壁導坑開挖法、雙側(cè)壁導坑開挖法和臺階分步開挖法對應(yīng)的拱頂監(jiān)測位移（mm）分別為：34.3、25.3、24.2、35.3；拱頂總位移分別為：34.3、27.9、32、35.3。拱頂監(jiān)測位移和總位移的比值為：100%、90.7%、75.6%、100%。從上述數(shù)據(jù)可見開挖方法對隧道變形的影響各不相同。拱頂總位移：從隧道截面開始開挖直至截面施工結(jié)束引起的拱頂圍巖總位移。包括拱頂還未開挖時，其它部位開挖對拱頂圍巖產(chǎn)生的擾動影響。拱頂監(jiān)測位移：拱頂位置巖體開始開挖直至截面施工結(jié)束引起的拱頂圍巖位移。不包含前期其它位置開挖對拱頂位置巖體的擾動變形。一般認為，拱頂監(jiān)測位移易通過相關(guān)設(shè)備監(jiān)測，拱頂總位移中對應(yīng)拱頂開挖前引起的先期位移較難通過洞內(nèi)監(jiān)測手段獲取。

對于全斷面開挖法：拱頂總位移與監(jiān)測位移值相等；下沉主要在監(jiān)測斷面開挖后產(chǎn)生；開挖后及時布設(shè)測點可獲取位移變化全過程值；單步開挖引起的位移較大，不及時支護容易出現(xiàn)塌方事故，因此相比更應(yīng)加強監(jiān)控量測。

對于臺階分步開挖法：拱頂總位移與監(jiān)測位移值相等；下沉主要在監(jiān)測斷面開挖后產(chǎn)生，在斷面開挖后及時布設(shè)測點可獲取位移變化全過程值；與其它方法相比，該法對應(yīng)的總位移和監(jiān)測位移均為最大。拱頂變形是逐步發(fā)展的，單步施工引起的位移變化量較小

對于單側(cè)壁導坑法：總位移大于監(jiān)測位移；與其它開挖方法相比，該方法對應(yīng)的拱頂總位移最小；拱腰部分開挖對拱頂圍巖變形影響大，監(jiān)測到的位移-時間曲線不能代表全過程；在施作仰拱、拆除臨時支護時，拱頂變形出現(xiàn)回彈，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)時應(yīng)注意這一變形特征。

對于雙側(cè)壁導坑法：總位移大于監(jiān)測位移；與其它開挖方法相比，該方法對應(yīng)的拱頂監(jiān)測位移最??；拱腰部分開挖對拱頂圍巖變形影響大，監(jiān)測到的位移-時間曲線不能代表全過程。

開挖方法對隧道變形的影響如下。全斷面開挖法的位移z方向最大位移發(fā)生在拱頂和仰拱，x方向最大位移發(fā)生在距離拱腳1/3h高度處；單側(cè)壁導坑法的位移z方向和x方向最大位移均發(fā)生在靠上臺階底部位置 雙側(cè)壁導坑法z方向和x方向最大位移發(fā)生在后開挖導坑臨時支護與拱腰相交的位置，隆起變形仍以仰拱位置最大；臺階分步開挖法對應(yīng)隧道位移的變形規(guī)律與全斷面開挖法類似。

開挖工法對隧道變形的施工效應(yīng)影響如下。上下臺階法對應(yīng)的拱頂沉降最大，左右分步法最??；全斷面開挖方法：各開挖步引起的位移增量最大；上下臺階開挖方法：上臺階開挖引起的位移大于下臺階開挖引起的位移；左右開挖方法：兩個施工步引起的位移接近。測點位于掌子面后方一定距離處，左右分布開挖對應(yīng)的拱頂累計沉降與最終沉降的比值最大，變形發(fā)展快，更易趨于穩(wěn)定。

3.3 開挖方法對錨桿的受力影響

對于全斷面開挖法：拱腰部分錨桿受力較大，尤以靠近洞壁端受力最大，因此對于采用全斷面開挖法的隧道，監(jiān)測錨桿內(nèi)力時，應(yīng)以監(jiān)測拱腰錨桿靠近洞壁端受力為主。

對于單側(cè)壁導坑法：導坑位置錨桿受力較小，可不進行受力量測。但是上臺階底部位置錨桿受力較大，尤以遠離洞壁端部分最大，應(yīng)適當加強監(jiān)測。

雙側(cè)壁導坑法：側(cè)壁導坑開挖和導坑襯砌支護時，導坑錨桿受力較小，且變化量不大，因此可不進行錨桿受力監(jiān)控量測。中間臺階上部土體開挖引起靠內(nèi)壁臨時支護下方的錨桿內(nèi)力增加近4倍，此時可結(jié)合實際對該部分錨桿進行觀測，直至斷面開挖結(jié)束。拆除臨時支護時，宜對臨時支護與拱頂相交位置附近的錨桿進行受力監(jiān)測。

臺階分步開挖法：錨桿受力相對較小。必要時對先開挖側(cè)壁（土體2位置）底部錨桿靠近洞壁端進行受力監(jiān)測。

4 結(jié)論

通過4種隧道開挖工況的監(jiān)測分析得出位移變化情況，z向：變形持續(xù)增加，最后達到穩(wěn)定，x向：變形相對較小，y向：變形先增加后減小。拱頂和仰拱以豎向變形監(jiān)測為主，x方向位移在增加后出現(xiàn)減小的過程拱腰以監(jiān)測水平向周邊收斂為主洞內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)一般無法反映前期施工對圍巖產(chǎn)生的擾動影響；洞外監(jiān)測應(yīng)提前布點，充分了解施工擾動效應(yīng)。隧道圍巖應(yīng)力中，Ⅲ級圍巖仰拱部分單元出現(xiàn)拉應(yīng)力，對應(yīng)值大于Ⅳ級圍巖中同位置單元應(yīng)力。對于各級圍巖，主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在拱腰，因此在進行應(yīng)力監(jiān)控量測時首先應(yīng)考慮拱腰部位。

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作者簡介

馬云峰（1985-），男，漢，吉林白山人，博士研究生，研究方向：隧道防災(zāi)減災(zāi)。