新意法開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)結(jié)構(gòu)隧道變形的影響研究

孫合朋，鐘水平，王傳飛

（中交路橋南方工程有限公司，北京 100000）

1 依托工程概況

大廣二期高速公路馬槽仔隧道，為分離式雙向六車(chē)道公路隧道，主洞凈寬15.588m，凈高8.85m，路面以上凈空面積102.64m2，橫坡坡度為2%，縱坡0.3%~3%。馬槽仔隧道進(jìn)口處位于龍南縣桃江鄉(xiāng)灑口村馬槽山龍靈農(nóng)場(chǎng)，出口處位于龍南縣渡江鎮(zhèn)果農(nóng)村社背；左線(xiàn)隧道起訖樁號(hào)Z2K124+455—Z2K126+305，總長(zhǎng)1850m，隧道最大埋深約164m，位于Z2K125+460 附近；右線(xiàn)隧道起訖樁號(hào)K124+475—K126+320，總長(zhǎng)1845m，隧道最大埋深約164m，位于K125+480 附近。

隧道建造區(qū)域?yàn)閯兾g低山地貌，支脈、沖溝錯(cuò)綜復(fù)雜，地形總體起伏較大，地下水豐富。隧址區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于隧道右側(cè)，標(biāo)高為550m，最低標(biāo)高約為233m 左右，相對(duì)高差約317m。進(jìn)洞口位于一條東南走向的沖溝右側(cè)山腰，出洞口位于一條東南走向的沖溝左側(cè)山腰，隧道進(jìn)、出洞口部位的巖土體較破碎，存在厚堆積體。根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)資料，隧道建設(shè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在斷裂帶、溶洞、褶皺、斷層、承壓水等諸多不利用隧道建設(shè)的工程地質(zhì)環(huán)境和水文環(huán)境。

隧址區(qū)山高林密，相對(duì)高差較大，山體連續(xù)性較好，溝谷切割較深，狹長(zhǎng)，泄流條件好，不利地表水存留，在隧道進(jìn)、出口溝谷中均有小溪流，流量約5~10t/h。左線(xiàn)隧道出口淺埋段前位于溝谷中，溝谷有溪流，地表水對(duì)隧道開(kāi)挖影響較大。根據(jù)沿線(xiàn)水文勘測(cè)資料，建設(shè)區(qū)域內(nèi)地下水為主要為孔隙水、裂隙水及巖溶水3 類(lèi)，且裂隙水和巖溶水是影響隧道圍巖穩(wěn)定的主要因素。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)施工組織要求，在隧道巖土體開(kāi)挖施工時(shí)，采用新意法施工。

2 有限元分析模型建立

2.1 模型建立

選取馬槽仔隧道地處Ⅳ圍巖段進(jìn)行有限元建模，探討各種參數(shù)對(duì)隧道的影響規(guī)律。在計(jì)算過(guò)程中，為降低仿真分析難度，隧道圍巖采用摩爾-庫(kù)侖模型，隧道內(nèi)部襯砌混凝土采用線(xiàn)彈性模型[1-3]。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)文件，確定圍巖采用3D 實(shí)體模型單元，襯砌混凝土采用2D 板單元，超前錨桿采用1D桁架桿單元，其中噴混混凝土厚度為0.24m，錨桿長(zhǎng)4~5m，直徑22~25mm。根據(jù)工程的實(shí)際施工尺寸，開(kāi)挖面的直徑為15.588m，據(jù)圣維南原理可知，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道中心3~5 倍開(kāi)挖直徑的土體會(huì)受到開(kāi)挖影響，因此根據(jù)該原理，設(shè)計(jì)模型的橫斷面寬度X 為100m，隧道的掘進(jìn)方向長(zhǎng)度Y 為20m，橫斷面高度Z 為96m。

有限元模型，對(duì)隧道附近的單元進(jìn)行了單元為1m的加密處理，其余單元尺寸為2m，模型共有47118 個(gè)單元，43696 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型上邊界地面設(shè)定為自由面、底部位移邊界設(shè)為固定邊界約束、兩端采用水平定向約束，模型前后施加Y 向約束。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)的選取

圍巖設(shè)計(jì)參數(shù)采用Ⅳ級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。參照文獻(xiàn)[4]中超前小導(dǎo)管注漿對(duì)圍巖作用的等效模擬分析結(jié)論，結(jié)合依托工程實(shí)際情況，將超前小導(dǎo)管對(duì)注漿對(duì)圍巖的作用等效為加固圈作用，而注漿加固后的圍巖性能將有所提升，根據(jù)已有研究成果[5-7]，彈性模量提高42%～56%、黏聚力提高35%～51%，內(nèi)摩擦角提高2.3°～3.4°，因此本文對(duì)加固圈內(nèi)圍巖進(jìn)行材料屬性的改變進(jìn)行模擬超前小導(dǎo)管的作用。

掌子面-超前核心土進(jìn)行預(yù)加固注漿，考慮到圍巖應(yīng)力釋放后強(qiáng)度會(huì)大幅折減，二預(yù)注漿加固可有效降低這種強(qiáng)度折減，據(jù)相關(guān)研究[8-11]，對(duì)掌子面核心土進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，隧道圍巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力將分別提升95%、50%和90%。結(jié)合馬槽仔隧道實(shí)際地質(zhì)情況，計(jì)算模擬參數(shù)取值如表1 所示，其中注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)按上述所示進(jìn)行提高，而噴射混凝土和灌注混凝土在鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片的作用下，其力學(xué)參數(shù)較素混凝土?xí)休^大幅度的提升。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

3 不同開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道變形的影響

3.1 開(kāi)挖進(jìn)尺參數(shù)確定

模型選取的隧道開(kāi)挖方向長(zhǎng)度為20m，本文選取了3m、5m 和8m 共3 種開(kāi)挖進(jìn)尺進(jìn)行了對(duì)比分析。以3m 開(kāi)挖進(jìn)尺為例，表2 為其施工階段劃分，另外兩種進(jìn)尺除在施工階段上少于3m 進(jìn)尺，其余均相同，此處不在重復(fù)贅述。

表2 開(kāi)挖進(jìn)尺為3m 下的施工階段劃分

3.2 不同開(kāi)挖進(jìn)尺圍巖變形情況

新意法開(kāi)挖隧道完成后，圖1 為拱頂最終沉降與邊墻最終水平位移隨開(kāi)挖進(jìn)尺的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯鲭S著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，拱頂沉降逐漸增加，邊墻的水平位移也在增加。

圖1 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖1 可以看出，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增強(qiáng)，拱頂沉降量和邊墻水平位移均呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)尺大于5m 時(shí)，增長(zhǎng)速率雖有所減緩，但最大沉降值已超過(guò)20mm、水平位移也接近15mm。

3.3 隧道開(kāi)挖應(yīng)力情況分析

隧道開(kāi)挖完成后，3m 開(kāi)挖進(jìn)尺下模型對(duì)應(yīng)的圍巖水平、豎向應(yīng)力計(jì)算，以拱頂為觀測(cè)點(diǎn)，圖2 為其在不同開(kāi)挖進(jìn)尺下最終Z、X 向應(yīng)力變化曲線(xiàn)，可以看到Z與X 向應(yīng)力均隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大而增大，這是符合工程實(shí)際的。

圖2 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖2 可以看出，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增強(qiáng)，拱頂圍巖Z 向應(yīng)力和X 向應(yīng)力均呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)尺大于5m時(shí)，增長(zhǎng)速率明顯增加，因此，為保證結(jié)構(gòu)安全，開(kāi)挖進(jìn)尺不宜超過(guò)5m。

4 超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)變形的影響分析

對(duì)超前小導(dǎo)管的模擬等效為注漿加固圈，因此，通過(guò)改變加固圈厚度，從而實(shí)現(xiàn)不同超前小導(dǎo)管對(duì)隧道開(kāi)挖的影響。為此，設(shè)置了0.5m、1m、1.5m、2m 四種厚度的加固圈。其余計(jì)算參數(shù)與工況為開(kāi)挖進(jìn)尺為5m 時(shí)的相同。

隧道開(kāi)挖完成后，拱頂最終沉降與邊墻最終水平位移隨加固圈厚度的變化曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 不同小導(dǎo)管等效加固圈厚度下拱頂沉降與邊墻水平位移

由圖3 可以看出當(dāng)?shù)刃Ъ庸倘穸仍黾訒r(shí)，拱頂沉降與邊墻水平位移均減小，其中小導(dǎo)管加固圈長(zhǎng)度對(duì)拱頂沉降值的影響顯著大于對(duì)邊墻水平位移的影響。綜合考慮拱頂沉降和邊墻水平位移，加固圈的長(zhǎng)度不宜小于1.5m。

5 結(jié)論

基于工程設(shè)計(jì)和新意法隧道開(kāi)挖施工過(guò)程，對(duì)不同開(kāi)挖進(jìn)尺和小導(dǎo)管長(zhǎng)度下，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力情況進(jìn)行模擬仿真，得到以下結(jié)論。

（1）隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增強(qiáng)，拱頂沉降量、邊墻水平位移、拱頂圍巖Z 向應(yīng)力和X 向應(yīng)力均呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)尺大于5m 時(shí)，增長(zhǎng)速率雖有所減緩，但最大沉降值已超過(guò)20mm、水平位移也接近15mm，圍巖Z 向應(yīng)力和X 向應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯增加，因此，為保證結(jié)構(gòu)安全，開(kāi)挖進(jìn)尺不宜超過(guò)5m。

（2）當(dāng)小導(dǎo)管等效加固圈厚度增加時(shí)，拱頂沉降與邊墻水平位移均會(huì)出現(xiàn)一定幅度的減少，其中小導(dǎo)管加固圈長(zhǎng)度對(duì)拱頂沉降值的影響顯著大于對(duì)邊墻水平位移的影響。綜合考慮拱頂沉降和邊墻水平位移，加固圈的長(zhǎng)度不宜小于1.5m。