淺埋引水隧洞支護后變形控制研究

馮小銳

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,山西 太原 030000）

1 引言

隨著我國地下空間利用率的大幅提高,隧洞的規(guī)模和里程越來越長,隧洞形狀、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。隧洞在開挖和施工中產(chǎn)生的變形是影響隧洞正常施工和安全運營的關(guān)鍵因素。通常隧洞在開挖后需要進行支護。因此,如何科學(xué)地采取支護措施,是隧洞施工的重點內(nèi)容,也是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點內(nèi)容。

鄭軍華等[1]綜合采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬研究了基坑開挖引起盾構(gòu)隧洞位移的控制方法。結(jié)果表明,上方基坑開挖對下方盾構(gòu)隧洞的影響顯著。綜合采用地基加固、抽條開挖、門式框架、及時反壓等工程措施可以顯著降低隧道位移。吳登超[2]等基于FLAC3D 數(shù)值模擬研究了隧洞有無支護應(yīng)力與位移演化特征。結(jié)果表明,隧洞開挖后,布置支護比不布置支護可以顯著減小隧洞圍巖的變形,且布置支護后圍巖穩(wěn)定性大幅改善。孫水泉[3]采用物理模型試驗和數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了鐵路隧道施工初期支護參數(shù)優(yōu)化模型,提出了隧道支護合理選取方式,可為相似工程提供經(jīng)驗借鑒。

本文依托某引水隧洞工程實例,基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究該隧洞初期支護后位移控制基準(zhǔn)。

2 淺埋隧洞變形的力學(xué)特性

研究區(qū)隧洞為淺埋隧洞,因此本文僅分析淺埋隧洞的力學(xué)特性。通常由于淺埋隧洞的開挖較淺,因此更容易受到開挖擾動,與深埋隧洞相比,更難形成穩(wěn)定的拱圈。此外,由于淺埋隧洞巖體強度低,完整性差。因此增大了施工風(fēng)險和施工難度。為了保證隧洞施工的安全性和正常運行。隧洞開挖后通常需要進行支護,規(guī)范建議隧洞初期支護采用錨噴支護,并且在開挖和施加支護的過程中進行現(xiàn)場監(jiān)測以保證施工的安全性。通常根據(jù)對于給定的位移標(biāo)準(zhǔn)值安全閾值,可對施工過程中隧洞的變形進行指導(dǎo)。

隧洞開挖后,其變形具有一定的時效性,變形穩(wěn)定的時間與支護方式、開挖方式及支護時間有關(guān)。一般可通過反演法進行參數(shù)確定。隧洞開挖前圍巖的原始應(yīng)力主要是重力引起的：

式中：σ為總應(yīng)力,Pa；σs為豎向應(yīng)力,Pa；σh為水平應(yīng)力,Pa。

隧洞開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布,進一步導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形以及支護結(jié)構(gòu)變形。其中隧洞開挖釋放的荷載主要取決于初始應(yīng)力和釋放因子的大小。

3 工程概況與數(shù)值模擬

3.1 工程概況

項目為某引水隧洞支線工程,圍巖裂隙發(fā)育完整性差,圍巖等級為V 級。地下水的存在形式主要為基巖裂隙水。隧洞主要穿過的地層為粉質(zhì)黏土和全-強風(fēng)化凝灰?guī)r。其中粉質(zhì)黏土為可塑狀態(tài),最大厚度為3 m。全-強風(fēng)化凝灰?guī)r巖石強度低。隧洞支護統(tǒng)一采用復(fù)合襯砌。

3.2 數(shù)值模型和力學(xué)參數(shù)

基于MIDAS/GTS 進行建模計算與分析,建立模型見圖1。模型網(wǎng)格共計12200 個,節(jié)點個數(shù)為23900 個。模型計算所需要的隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1 和表2。其中對于初期支護而言,計算中假定采用等效剛度原則,將剛度折算到混凝土中統(tǒng)一設(shè)置。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌材料力學(xué)參數(shù)

3.3 計算工況

本隧洞由于斷面較小,在實際施工中開挖進尺為1 m,鋼拱架間距為1 m。數(shù)值模擬的施工步驟與實際情況相同：第一步為土方洞挖；第二步為鋼拱架及錨桿支護；第三步為噴射混凝土支護。

為詳細(xì)分析開挖過程中隧洞初期支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,本文選取了4 個監(jiān)測斷面,其中1#斷面位于隧洞入口,埋深0.5 倍隧洞直徑；2#斷面埋深與隧洞直徑相同；3#斷面埋深為1.5 倍隧洞直徑；4#斷面為1.5 倍隧洞直徑。

3.4 計算結(jié)果與分析

圖3 和圖4 匯總得到數(shù)值模擬計算隧洞開挖初期支護的拱頂變形曲線和周邊變形曲線。結(jié)果表明,4 個監(jiān)測斷面具有相同的變化規(guī)律。其中拱頂位移曲線和周邊變形曲線均隨掌子面距離的增大而先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。在0~1 倍隧洞直徑時,變形比較快,在1~2倍隧洞直徑時,變形速率有所降低,4倍隧道直徑時,變形基本保持不變,因此實際工程中可將該變形值作為初期支護結(jié)構(gòu)的最終位移。

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性,本文選取相同監(jiān)測斷面的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進行對比分析。結(jié)果匯總于圖4 和圖5 中。

圖4 和圖5 結(jié)果表明,現(xiàn)場監(jiān)測值和計算值變形趨勢完全一致,兩者的相對誤差在20%以內(nèi),證明數(shù)值模擬的合理性,但數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果有一定的差別,主要是由于數(shù)值計算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力。同時實際的隧洞變形受到的影響因素較多,而數(shù)值模擬無法考慮所有影響因素。但總體來看,數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn)出支護結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng)。

4 位移控制基準(zhǔn)值分析

匯總得到數(shù)值模擬計算變形和現(xiàn)場監(jiān)測變形進行對比分析,并匯總計算得到不同埋深斷面的變形占總變形的比值見表3。由表3 可知,當(dāng)距掌子面距離相同時,初期支護位移所占的比例各不相同,對于同一斷面而言,隨開挖距離的增大,位移逐漸增大,當(dāng)埋深不變時,隨開挖面距離的增大,變形占比也逐漸增大,這在數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出相同的趨勢。實際工程中隧洞開挖變形基準(zhǔn)值要同時考慮埋深和開挖間距。

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5 結(jié)論

本文依托某淺埋引水隧洞工程,基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了初期支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,得到如下幾點結(jié)論：

（1）拱頂位移曲線和周邊變形曲線均隨掌子面距離的增大而先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。在0~1 倍隧洞直徑時,變形比較快,在1~2 倍隧道直徑時,變形速率有所降低,大于4 倍隧洞直徑時,變形基本保持不變,因此實際工程中可將4 倍隧洞直徑對應(yīng)的變形作為初期支護結(jié)構(gòu)的最終位移。

（2）對于同一斷面而言,隨開挖距離的增大,位移逐漸增大；當(dāng)埋深不變時,隨開挖面距離的增大,變形占比也逐漸增大。實際工程中隧洞開挖變形基準(zhǔn)值要同時考慮埋深和開挖間距進行確定。