破碎圍巖山嶺隧道施工穩(wěn)定監(jiān)測及數(shù)值模擬

祝方才，晏 仁，賴國森，張 剛，黃國星，尚亞新

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.中鐵北京工程局集團(tuán)第二工程有限公司，湖南 長沙 410116）

0 引言

軟弱破碎圍巖隧道往往存在多種不良地質(zhì)，在開挖后難以形成承載拱，易發(fā)生隧道塌方、仰坡失穩(wěn)等事故，而選擇合理的開挖和支護(hù)方法是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。

K.F.Bizjak 等[1]應(yīng)用三維收斂性測量技術(shù)，對斯洛文尼亞高速公路隧道段的襯砌、圍巖的受力、變形等進(jìn)行了監(jiān)測，并且對其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。李國良等[2]對烏鞘嶺特長隧洞嶺脊段大變形的快速開挖、快速支護(hù)、快速封閉、適時襯砌等施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的效果。G.Galli 等[3]通過數(shù)值仿真，探討了隧道施工過程中襯砌與圍巖之間的相互影響。李廷春[4]通過增加支護(hù)剛度、合理預(yù)留變形、長錨桿、多重支護(hù)、超短階梯等常規(guī)技術(shù)，對毛羽隧道的大變形進(jìn)行了有效的控制。許光磊[5]通過數(shù)值試驗(yàn)，研究了不同的開挖方式對軟弱圍巖隧道的影響，并且得到了合理的施工參數(shù)。路剛[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測，對三臺階七步開挖法平行線流水開挖造成的地表沉降變形和圍巖變形特點(diǎn)等進(jìn)行了分析。黃沛等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬，分析了三臺階七步法施工中圍巖洞周收斂、拱頂下沉等情況。劉招偉等[8]通過分析三臺階(帶仰拱)和二臺階(帶仰拱)施工工藝，提出了臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)，通過實(shí)例驗(yàn)證后，認(rèn)為該方案能較好地解決軟巖隧道步距超標(biāo)、變形侵限等問題。馬棟等[9]研究發(fā)現(xiàn)，初期支護(hù)仰拱快速封閉時，控制初期支護(hù)仰拱與掌子面的距離（小于20 m）能夠有效抑制隧洞變形。Liang X.T.等[10]采用優(yōu)化施工參數(shù)、分級變形控制、長短錨桿組合等措施，有效降低了大法郎隧道變形，確保其施工安全和施工進(jìn)度。Yuan Q.等[11]采用臨時支撐（橫向支撐和豎向支撐）注漿錨管噴射-混合協(xié)調(diào)支護(hù)同時施工管棚，并且對支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，即采用對超前小導(dǎo)管進(jìn)行加密，增設(shè)臨時仰拱、鎖腳錨管等措施，成功處理了塌方大變形段。Wan F.等[12]分析了臺階法施工條件下軟弱破碎圍巖變形的破壞特征，發(fā)現(xiàn)超前變形是臺階法穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。

前人的研究成果為我國隧道工程的設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，截至當(dāng)前，三臺階七步開挖法的研究成果較多，而三臺階七步開挖仰拱緊跟+聯(lián)合支護(hù)方法的研究成果相對較少。因此，本文擬引入該方法至云南某公路隧道施工當(dāng)中，通過現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)值模擬等手段，驗(yàn)證所提方法的合理性及對大變形控制的有效性。

1 工程概況

云南某高速公路隧道為雙線四車道隧道，該隧道的左右幅總長約為4 246.2 m。其中，左幅隧道位于R=1 110 m、R=1 110 m 的S 型曲線上，隧道所在路段縱坡為-1.84%,-2.20%,0.50%，最小埋深約為58 m；最大埋深約為295 m；右幅起止里程為K100+300～K102+434，長約為2 134 m，位于R=1 280 m、R=1 107.35 m 的S 型曲線上，隧道所在路段縱坡為-2.52%,-2.20%,0.50%，最小埋深約為78 m；最大埋深約為296 m。圖1 所示為該隧道的地質(zhì)縱坡面圖。

由圖1 所示隧道地質(zhì)縱坡面圖可以得知，該隧道穿越的圍巖主要為Ⅴ級圍巖，并且處于滑坡體下方，由碎石土，強(qiáng)、中風(fēng)化板巖，夾炭質(zhì)板巖、砂巖及白云巖組成，巖質(zhì)較軟，巖體較為破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

隧道地區(qū)的地下水可被劃分為疏松巖型空隙水和基巖巖溶裂縫水，而松散巖型孔隙水則多產(chǎn)于粉質(zhì)黏土、碎石土的空隙中。近距離觀察掌子面后，發(fā)現(xiàn)該隧道內(nèi)部巖石為碳質(zhì)板巖，并且破碎情況較為嚴(yán)重，帶有風(fēng)化現(xiàn)象，巖塊潮濕且易碎，可用手掰斷，拱頂滲水呈滴狀，滲水速度較快，如圖3 所示。

隧道開挖采用三臺階七步開挖法，因圍巖為Ⅴ級軟弱破碎圍巖，這種圍巖強(qiáng)度較低，膠結(jié)程度較差，巖體結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，受風(fēng)化作用明顯，圍巖自穩(wěn)性能較差，易受施工擾動。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，隧道初支變形較大，仰拱施工后初支出現(xiàn)了嚴(yán)重收斂。過大的沉降導(dǎo)致了ZK100+304～350 段46 m 及YK100+307～341 段34 m 初支段侵限至二襯范圍（如圖4 所示），最大位移達(dá)0.7 m。

2 三臺階七步開挖仰拱緊跟施工方法介紹

在穿越軟弱圍巖時，由于圍巖總體強(qiáng)度較低，自穩(wěn)性能較差，且在開挖后不穩(wěn)定。在開挖過程中，拱頂和局部應(yīng)力集中很容易發(fā)生坍塌，極易造成隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，給施工帶來困難。

根據(jù)新奧法原理，在隧道施工中，根據(jù)施工能力和現(xiàn)場的地質(zhì)情況，對施工方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出采用三臺階七步開挖仰拱緊跟加上聯(lián)合支護(hù)方法，以縮短工作面暴露的時間和面積；通過仰拱緊跟鎖住隧道底部，仰拱緊跟間距為10 m 以下，而后及時施作邊墻和拱部，形成閉環(huán)；及早封閉底板，控制圍巖大變形現(xiàn)象。

三臺階七步開挖仰拱緊跟法施工示意圖見圖5，圖中數(shù)字為施工順序號。

三臺階七步開挖仰拱緊跟法具體的開挖施工順序如下：開挖上臺階1 →核心土2 →左中臺階3 →右中臺階4 →左下臺階5 →右下臺階6 →仰拱7。Ⅴ級圍巖開挖支護(hù)主要采用挖機(jī)開挖，平行作業(yè)工序如下：上臺階初噴、打錨桿、立架、掛網(wǎng)工序與出碴工序同時進(jìn)行，上臺階噴砼與中臺階、下臺階初噴、打錨桿、立架、掛網(wǎng)同時進(jìn)行。中、下臺階分左右側(cè)錯開距離進(jìn)行開挖。Ⅴ級圍巖上臺階每次開挖一榀拱架，中臺階及下臺階每次開挖兩榀拱架，仰拱開挖每次開挖6 m。每次支護(hù)完成后，下循環(huán)開始施工，施工時控制好上中下臺階長度，一般控制在3～5 m，仰拱緊跟間距為10 m 以下。

3 數(shù)值模擬

為驗(yàn)證三臺階七步開挖仰拱緊跟法在破碎圍巖隧道施工過程中的影響，本研究用Midas GTS/NX 建立了兩個模型，一個采用傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法（仰拱間距為24 m）、另一個采用三臺階七步開挖仰拱緊跟法（仰拱緊跟間距為9 m），其他的支護(hù)措施和材料參數(shù)都一樣，通過數(shù)值模擬結(jié)果對比分析圍巖變形情況，以期為工程施工提供參考。

3.1 數(shù)值模型的建立

本文根據(jù)地質(zhì)勘察資料給出的平面圖、斷面圖以及鉆孔數(shù)據(jù)，建立仿真三維模型。在仿真軟件中，巖土體材料采用各向同性Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型、二襯采用實(shí)體單元。計(jì)算過程中，采用不占空間厚度的shell 單元模擬隧道的初噴混凝土，并采用等效剛度法將鋼筋網(wǎng)剛度折合到初襯噴射混凝土中[13]，用梁單元模擬鋼拱架、植入式梁模擬超前大管棚、植入式桁架模擬超前小導(dǎo)管和錨桿，力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of materials

本研究建立的分析模型如圖6 和圖7 所示，模型單元數(shù)為284 571 個；左右邊界約束了X方向自由度，底部約束Z方向自由度，前后面約束Y方向自由度。

等效剛度法的計(jì)算公式如下：

式中：E和E0分別為折算后和折算前噴射混凝土的彈性模量；

Ag和Ac分別為鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的橫截面面積；

Eg為鋼筋網(wǎng)的彈性模量。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 不同施工方法的模擬結(jié)果分析

三臺階七步開挖法的總位移云圖如圖8 所示。

通過對比傳統(tǒng)三臺階七步開挖法和三臺階七步開挖仰拱緊跟法的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可知在同一施工步中，傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法的最大總位移為0.971 m（圖8a），該結(jié)果與施工現(xiàn)場的變形情況相近；而本文提出的三臺階七步開挖仰拱緊跟法的最大總位移為0.796 m（圖8b），比傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法總位移減少了0.175 m。

隧道的三臺階七步開挖法水平收斂對比曲線如圖9 所示。由圖可知，三臺階七步開挖仰拱緊跟法的左腰和右腰的水平位移都比傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法要小，在開挖下臺階時，水平位移收斂較快。雖然水平位移隨著仰拱開挖增大，但仰拱封閉后圍巖趨于穩(wěn)定，水平位移有所收斂。

不同開挖方式下，隧道的二襯應(yīng)力對比曲線如圖10 所示。

由圖10 所示曲線可知，傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法和三臺階七步開挖仰拱緊跟法二襯拱頂和右拱腰都受壓（拉正壓負(fù)）；隨著開挖步進(jìn)行，二襯應(yīng)力逐步增大，但采用三臺階七步開挖仰拱緊跟法的二襯應(yīng)力值要小于傳統(tǒng)三臺階七步開挖法的。且在下臺階開挖后，傳統(tǒng)三臺階七步開挖法的二襯應(yīng)力變化值要大于三臺階七步開挖仰拱緊跟法的變化值。

由總位移變化值、水平收斂情況和二襯應(yīng)力對比分析可知，三臺階七步開挖仰拱緊跟法控制大變形的效果比傳統(tǒng)方法要好。

為了進(jìn)一步分析三臺階七步開挖仰拱緊跟工法隨開挖步進(jìn)行時的拱頂沉降情況，獲取了不同的施工階段三臺階七步開挖仰拱緊跟法的拱頂沉降云圖，如圖11 所示。

由圖11 所示拱頂沉降云圖可以得知，隨著上、中、下臺階和仰拱的開挖，隧道的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂和拱底，拱頂沉降位移變化逐漸增大，拱頂沉降最大值為14.1 cm，沉降變化量最大的為下臺階開挖階段，約沉降了6.5 cm；其次為上臺階開挖階段，沉降了約4.5 cm，中臺階開挖階段的拱頂沉降量相對較?。谎龉皾仓瓿珊?，圍巖穩(wěn)定，拱頂沉降量很小。因此在破碎圍巖隧道開挖中，應(yīng)盡量縮短上臺階和下臺階的開挖時間，仰拱緊跟，盡早成環(huán)，縮短工期，穩(wěn)定圍巖以控制住大變形。

3.2.2 三臺階七步開挖仰拱緊跟法數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的三臺階七步開挖仰拱緊跟法的效果，在云南某隧道后期的施工中采取新的方法并進(jìn)行了監(jiān)控測量，監(jiān)測主要采用半斷面測點(diǎn)布置法，監(jiān)測隧道開挖不同施工步對周邊收斂和拱頂下沉的影響。監(jiān)測點(diǎn)布置在右洞里程為YK100+867 斷面位置，如圖12 所示。監(jiān)控設(shè)備如表2 所示，現(xiàn)場安裝情況如圖13 所示。

表2 監(jiān)測設(shè)備一覽表Table 2 List of monitoring equipment

根據(jù)監(jiān)測得出的應(yīng)變結(jié)果，通過換算，得到拱頂沉降的位移隨開挖步進(jìn)行的曲線和數(shù)值模擬結(jié)果對比，如圖14 所示。

由圖14 可知，采用三臺階七步開挖仰拱緊跟法現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬所得趨勢基本一致，在下臺階和上臺階開挖時的變形最大，在仰拱封閉成環(huán)后圍巖穩(wěn)定，拱頂沉降變化不大，數(shù)值模擬的值比現(xiàn)場稍大。說明破碎圍巖開挖采用三臺階七步開挖緊跟法可有效控制住大變形。

二襯鋼筋應(yīng)力隨開挖步變化情況如圖15 所示。

由圖15 可知，二襯鋼筋的應(yīng)力隨各開挖步的進(jìn)行，先增加而后趨于穩(wěn)定，在仰拱閉合后隧道圍巖的變形基本穩(wěn)定。拱頂部鋼筋的應(yīng)力最后穩(wěn)定在0 MPa左右，而左拱腰的鋼筋應(yīng)力最后穩(wěn)定在-7 MPa（負(fù)代表受壓），而右邊墻和右拱腰的鋼筋應(yīng)力最后均穩(wěn)定在-9 MPa 左右。

隧道不同部位的二襯壓力隨開挖步變化情況如圖16 所示。

由圖16 可知，二襯拱頂壓力隨著開挖步的進(jìn)行而緩慢增大，增大幅度較小，約為0.16 MPa，最后趨于穩(wěn)定。右拱腰的壓力隨著時間的增長而緩慢增加，增加幅度也較小，約為0.12 MPa，最后趨于穩(wěn)定。由二襯壓力盒監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，圍巖壓力在仰拱閉合后基本穩(wěn)定。

通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析，印證了三臺階七步開挖仰拱緊跟法數(shù)值模擬符合實(shí)際，拱頂沉降在運(yùn)行范圍之內(nèi)（設(shè)計(jì)允許控制拱頂沉降值為15 cm），鋼筋應(yīng)力和二襯壓力值也都在控制值內(nèi)，且采用三臺階七步開挖仰拱緊跟法在一個工作循環(huán)內(nèi)現(xiàn)場施工時間比傳統(tǒng)三臺階七步開挖法約可縮短5 d，證明此方法不僅控制住了大變形，且提高了施工效率，節(jié)省了工程建造資金，適用于Ⅴ級破碎圍巖的開挖施工。

4 結(jié)論

通過以上研究與分析，可得出如下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)的三臺階七步開挖法對Ⅴ級破碎圍巖大變形控制效果不佳，而三臺階七步開挖仰拱緊跟法（仰拱緊跟間距為10 m 以下）能有效控制住大變形，縮短工期；

2）三臺階七步開挖仰拱緊跟法可以多作業(yè)面平行作業(yè)，減少工作面裸露在外的時間，便于快速施工，仰拱緊跟可以加快成環(huán)，及早封閉底板而控制圍巖變形；

3）通過Midas GTS 建立三維數(shù)值模型，模擬了三臺階七步開挖仰拱緊跟法施工過程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果具有一致性。