基于施工過程的大斷面隧道變形動態(tài)釋放規(guī)律分析*

孫州

(1.上海同巖土木工程科技股份有限公司， 上海 200092；2.上海同巖公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司， 上海 200092；3.上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心， 上海 200092)

隨著高速公路的快速發(fā)展，大斷面隧道數(shù)量增多。國內(nèi)外學(xué)者針對大斷面隧道開展了大量研究，如劉長祥等分析了大斷面隧道圍巖的變形過程；何昌國分析了大跨隧道合理預(yù)留變形量；單超等分析了大跨淺埋隧道偏壓段的橫向偏移規(guī)律；曹成勇等結(jié)合下穿高速公路大跨隧道，分析了隧道開挖的力學(xué)行為；李利平等分析了大斷面隧道圍巖的漸進(jìn)破壞過程；呂志強結(jié)合東天山隧道，研究了大斷面隧道的開挖支護(hù)技術(shù)；郭軍等對大跨公路隧道進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析；伍國軍等結(jié)合施工過程，對淺埋大跨公路隧道進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析；蔡鑫等分析了附加荷載作用下大跨隧道的圍巖壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律；王仁杰等進(jìn)行了大跨隧道扁平率優(yōu)化研究。上述研究多側(cè)重于大斷面隧道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化。該文依托寧波將軍山隧道，開展大斷面隧道變形動態(tài)釋放規(guī)律研究，探索合理的支護(hù)施作時機，為類似工程提供參考。

1 工程概況

將軍山隧道沿線地形為中間高、兩端低，溝谷縱橫，風(fēng)化強烈，山上植被茂盛，覆蓋層為第四系殘積土和坡洪積碎石、含礫石粉質(zhì)黏土，下伏為全～微風(fēng)化晚侏羅統(tǒng)西山頭組凝灰?guī)r。隧道凈空斷面寬度為16.8 m，高度為10.85 m，高跨比為0.65，屬于大斷面隧道。

根據(jù)圍巖級別和隧道斷面情況，隧道Ⅴ級圍巖段采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式：初期支護(hù)為φ42×5雙排小導(dǎo)管，長5 m，縱向間距3 m，環(huán)向間距0.42 m；中空注漿錨桿長4.5 m，縱向間距0.5 m，環(huán)向間距1.0 m；噴射砼，第一層厚度為26 cm，采用I20b型鋼@0.50 m，第二層厚度為20 cm，采用φ25格柵拱架@0.50 m；二次襯砌采用C40砼，厚度55 cm。

2 計算模型與參數(shù)選取

2.1 建立模型

基于現(xiàn)場Ⅴ級圍巖段地質(zhì)特征建立三維數(shù)值計算模型，超前小導(dǎo)管注漿加固采用實體單元模擬，錨桿采用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬，初期支護(hù)采用Shell結(jié)構(gòu)單元模擬。隧道埋深約18 m，模型長、寬、高分別為180、100、55 m。左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束，上邊界為自由邊界。沿隧道縱向50～90 m處分別在拱頂、邊墻每隔20 m設(shè)置監(jiān)測點。計算模型見圖1。

圖1 隧道計算模型(單位：m)

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，各級圍巖的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量根據(jù)鋼筋砼計算原理采用等效截面計算，即將鋼拱架、格柵拱架彈性模量折算為噴射砼彈性模量。計算方法為：

E=E0+AgEg/Ac

式中：E為折算后砼彈性模量；E0為原砼彈性模量；Ag為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Ac為噴射砼截面積。

錨桿與圍巖之間采用摩擦接觸，圍巖與初期支護(hù)及初期支護(hù)與二次襯砌之間采用共節(jié)點模擬。錨桿等的力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

表2 錨桿的力學(xué)參數(shù)

表3 鋼拱架等的力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬工序

采用臺階法開挖，上臺階長度為15 m、開挖進(jìn)尺為1 m，下臺階開挖進(jìn)尺為3 m。臺階法計算模型見圖2。

圖2 臺階法計算模型

3 隧道變形動態(tài)釋放規(guī)律分析

3.1 拱頂沉降

不同監(jiān)測點的隧道拱頂沉降隨開挖進(jìn)尺的變化見圖3。由圖3可知：拱頂3個測點的沉降隨開挖進(jìn)尺的釋放規(guī)律基本一致，均隨著開挖進(jìn)尺的增加而逐漸增大，分為緩慢增長、快速增長、趨于穩(wěn)定3個階段，距施工掌子面距離越近的測點，其沉降開始時間、穩(wěn)定時間越早。隧道未開挖到監(jiān)測斷面時，拱頂沉降為4 mm；隧道監(jiān)測斷面上臺階開挖前，拱頂沉降釋放20%；下臺階開挖前，拱頂沉降為9.6 mm，釋放48%。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，二次襯砌施作應(yīng)在變形基本穩(wěn)定(位移達(dá)到總位移的80%～100%)后進(jìn)行，二次襯砌施作時機建議距離開挖面42～60 m。

圖3 拱頂沉降隨開挖進(jìn)尺的變化

拱頂沉降速度隨開挖進(jìn)尺的變化表現(xiàn)為先增加后減小(見圖4)。以1號監(jiān)測斷面為例，開挖距離該監(jiān)測斷面越近，該斷面的沉降速率越大，開挖到該斷面時，沉降速率達(dá)到最大，為0.6 mm/m；之后隨著開挖距離的增大，沉降速度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，沉降值約20 mm。

圖4 拱頂沉降速度隨開挖進(jìn)尺的變化

3.2 邊墻收斂

不同監(jiān)測點的隧道邊墻收斂隨開挖進(jìn)尺的變化見圖5。由圖5可知：3個測點左右邊墻收斂隨開挖進(jìn)尺的變化規(guī)律一致，隨施工推進(jìn)，邊墻收斂逐漸增大，收斂速度呈先增大后減小的趨勢。以1號監(jiān)測點為例，開挖到達(dá)該監(jiān)測斷面前，沉降速度逐漸增大，到達(dá)開挖斷面時，變形速率達(dá)到最大，為0.55 mm/m，收斂變形為1.25 mm。監(jiān)測斷面上臺階開挖前，邊墻收斂釋放15.6%；下臺階開挖前，收斂變形為5.2 mm，邊墻收斂釋放65%；之后隨著開挖距離的增大，沉降速度逐漸減小，最后趨于零，隧道收斂變形為8 mm。

圖5 邊墻收斂隨開挖進(jìn)尺的變化

3.3 錨桿軸力

隧道錨桿軸力分布見圖6。各部位錨桿軸力均為拉力，整體表現(xiàn)為邊墻和拱腰處錨桿軸力值大、拱頂和拱腳處錨桿軸力值小，斷面內(nèi)錨桿軸力最大值位于左右邊墻位置，約45 kN。

圖6 中間斷面錨桿軸力分布(單位：N)

選取監(jiān)測斷面內(nèi)軸力最大的錨桿為監(jiān)測錨桿，得到錨桿軸力隨開挖進(jìn)尺的變化曲線(見圖7)。錨桿軸力的變化規(guī)律與拱頂沉降、邊墻收斂基本一致，隨著開挖進(jìn)尺的增大而增大，但增大速度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，錨桿軸力穩(wěn)定值約45 kN。錨桿有效控制了隧道周圍巖體的變形，起到了懸吊加固與抑制圍巖變形的作用。

圖7 錨桿軸力隨開挖進(jìn)尺的變化

4 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

4.1 圍巖壓力分析

圍巖壓力的變化見圖8。由圖8可知：上臺階開挖后，圍巖壓力快速增加，隨著圍巖應(yīng)力的重新分布，壓力有所降低，拱頂與右拱腰處壓力釋放較大，分別為43.6%、49.2%；下臺階開挖后，圍巖壓力繼續(xù)增加；二次襯砌施作后，各部位圍巖壓力逐漸趨于穩(wěn)定。拱頂和右邊墻處圍巖壓力較大，最大壓力為150.2 kPa；左、右拱腰處的壓力較小，分別為84.1、92.9 kPa。隧道圍巖壓力分布整體呈對稱形式(見圖9)。

圖8 圍巖壓力隨開挖進(jìn)尺的變化

圖9 圍巖壓力分布(單位：kPa)

4.2 錨桿軸力分析

錨桿軸力隨隧道開挖進(jìn)尺的變化見圖10。由圖10可知：上臺階開挖后，錨桿軸力迅速增加，各部位錨桿處于受拉狀態(tài)，拱頂處錨桿軸力最大；下臺階開挖后，錨桿軸力變化不大，最大為33.1 kN(68.6 MPa)，相對于模擬值偏小，主要是因為隧道開挖到錨桿支護(hù)位置時圍巖已釋放一部分變形，錨桿施作相對滯后。錨桿軸力分布整體表現(xiàn)為錨桿中心軸力大、兩端軸力小(見圖11)，表明錨桿穿過了圍巖松動區(qū)，起到了懸吊加固與抑制圍巖變形的作用。

圖10 錨桿軸力隨開挖進(jìn)尺的變化

圖11 錨桿軸力分布(單位：kN)

4.3 圍巖變形

拱頂沉降隨開挖進(jìn)尺的變化見圖12。隧道上臺階開挖后，拱頂沉降逐漸增加，前期沉降速度較快，之后沉降速率逐漸減小，最后拱頂沉降穩(wěn)定為6.5 mm。拱頂和拱頂左邊部分下沉量相對右邊較大，且略有波動，主要是由于距離掌子面較近，受到前方爆破震動的影響。下臺階開挖后，拱頂沉降增加2 mm，總體沉降約8 mm，相對于數(shù)值模擬結(jié)果偏小，原因是隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形、施作二次襯砌后沒有繼續(xù)監(jiān)測圍巖變形。

圖12 拱頂沉降隨開挖進(jìn)尺的變化

隧道凈空收斂的變化見圖13。隧道整體向內(nèi)收斂，最大值為6.5 mm，相對于模擬值偏小19%，主要是因為隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形。

圖13 凈空收斂隨開挖進(jìn)尺的變化

5 結(jié)論

(1) 沿隧道縱向，隧道變形隨開挖進(jìn)尺的釋放規(guī)律基本一致，變形隨著開挖進(jìn)尺的增加而增大，分為緩慢增長、快速增加、趨于穩(wěn)定3個階段。上臺階開挖后變形釋放48%～65%，圍巖壓力釋放43.6%～49.2%。

(2) 隧道變形收斂、錨桿軸力實測值分別比模擬值減小19%、27%，主要是由于隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明各指標(biāo)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 隧道二次襯砌施作時機建議距離開挖面42～60 m。采用臺階法施工時，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺、臺階長度等參數(shù)，從而確保圍巖的穩(wěn)定。