杉樹坳隧道臺階法開挖初期支護變形規(guī)律分析

馬顯紅

(貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州 貴陽 550004)

杉樹坳隧道臺階法開挖初期支護變形規(guī)律分析

馬顯紅

(貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州 貴陽 550004)

以杉樹坳隧道工程為背景，分析了臺階法施工的拱頂下沉規(guī)律，主要是臺階法襯砌變形與開挖施工進度的關(guān)系，探究應(yīng)力釋放過程，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得出，上臺階開挖導(dǎo)致拱頂沉降量達到總沉降量的70%以上，進而得到施工過程中的應(yīng)力釋放系數(shù)。將此應(yīng)力釋放系數(shù)應(yīng)用于有限元模型計算，把數(shù)值計算成果與拱頂下沉實測值進行了比較，證明了該模型能夠較為準(zhǔn)確地反映上下臺階開挖對初期支護變形的影響，從而為臺階法開挖的數(shù)值模擬以及施工過程的控制提供依據(jù)。

臺階法 初期支護 變形規(guī)律 應(yīng)力釋放系數(shù) 有限元法

臺階法施工由于多步開挖、多次爆破，反復(fù)發(fā)生應(yīng)力再分配對圍巖造成擾動破壞，隧道周邊變形伴隨每步開挖都出現(xiàn)較顯著的增長［1］。為實現(xiàn)對施工過程的控制，研究臺階法施工圍巖的變形規(guī)律影響至關(guān)重要。拱頂下沉由于其量測方法簡單可靠，可明顯反饋圍巖和初期支護的變形和穩(wěn)定情況，且受施工步驟影響較大，可對隧道圍巖變形的穩(wěn)定性進行及時評價，為二次襯砌提供合理的施作時機，并可對變形較大的圍巖段及時預(yù)測預(yù)警，因此，拱頂下沉成為隧道變形穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵指標(biāo)。

關(guān)寶樹、施成華、劉寶琛等［2-6］分別總結(jié)了淺埋暗挖法施工中沿隧道軸線縱向的下沉動態(tài)規(guī)律;張頂立等［7］通過對深圳地鐵一期工程部分區(qū)間隧道拱頂下沉的回歸分析，并通過數(shù)值模擬驗證，認為隧道拱頂下沉過程遵循指數(shù)函數(shù)的關(guān)系;姜德義等［8］基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了隧道拱頂下沉的時序預(yù)測模型。這些研究在隧道施工中拱頂下沉規(guī)律及預(yù)測方面取得了一定成果，但都沒有涉及將拱頂下沉與臺階法施工相聯(lián)系，從而探究臺階法施工對拱頂下沉量的影響。

本文根據(jù)杉樹坳隧道拱頂下沉與上下臺階之間的相互關(guān)系探究應(yīng)力釋放過程，得到相應(yīng)施工過程中的應(yīng)力釋放規(guī)律，作為臺階法開挖施工過程的依據(jù)。

1 工程背景

杉樹坳隧道位于廈蓉高速公路(貴州境)水口至榕江格龍段，為分離式長隧道，左線長2 445 m，最大埋深232 m;右線長2 412 m，最大埋深225 m。隧道區(qū)處于貴州高原東南緣，地勢西高東低，屬構(gòu)造侵蝕型中低山溝谷地貌。隧道軸線穿越地層為南沱組一段，巖性為薄～中厚層變余砂巖，局部夾含礫板巖。地下水主要沿基巖面及風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙及結(jié)構(gòu)面向低洼處滲流，雨季水量較大。

隧道采用新奧法原理設(shè)計，根據(jù)地質(zhì)條件采取了上下臺階法進行開挖，初期支護采用了錨噴支護。

本文選取兩個典型斷面YK42+681、YK40+379，分別位于杉樹坳隧道右線進口、出口段，圍巖為灰色強風(fēng)化變余砂巖，整體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，YK42+681圍巖級別為Ⅴ級，YK40+379為Ⅵ級。

2 拱頂下沉監(jiān)測布置情況

拱頂下沉是隧道拱頂內(nèi)壁的絕對下沉量。拱頂是隧道周邊的一個特殊部位，擾度最大，拱頂?shù)南鲁燎闆r具有較強的代表性和顯示作用。拱頂下沉量主要是監(jiān)視拱頂下沉，了解斷面的變形情況，判斷拱頂?shù)姆€(wěn)定性，防止塌方等風(fēng)險事故的發(fā)生。本隧道拱頂下沉監(jiān)測實施情況如下。

每個量測斷面的拱頂中心用小型鉆機鉆5 cm左右深的小孔，然后把孔徑相同的膨脹螺絲鉤塞到孔中，用扳手將膨脹螺鉤擰緊，作為前視點掛鉤(G1，G2，G3)，見圖1。同法在距測點30 m以外的相對穩(wěn)定的初期支護上布置一后視測點掛鉤。在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)，初讀數(shù)在開挖后12 h內(nèi)讀取，最晚不超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值讀數(shù)。

圖1 洞內(nèi)斷面測點布置(拱頂下沉測點：G1，G2，G3)

在量測斷面的拱頂中心及隧道兩側(cè)距中心0.5 m范圍各設(shè)一個測點，先用小型鉆機在待測部位成孔，用全站儀進行量測，在掛鉤上安裝反光貼片，后視點設(shè)置在相對穩(wěn)定的二次襯砌斷面上。

量測頻率按《公路隧道施工規(guī)范》執(zhí)行［9］，如表1所示。

表1 隧道拱頂下沉監(jiān)測頻率

3 拱頂下沉量測數(shù)據(jù)分析

3.1 YK42+681監(jiān)測斷面

上臺階掌子面開挖過4 m后布置拱頂下沉監(jiān)測斷面YK42+681，此時下臺階掌子面距離監(jiān)測斷面36 m。施工過程中，上下臺階掌子面保持30～40 m的距離，施工時間差約為30 d。拱頂下沉測點沉降值隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 Y K42+681初期襯砌拱頂沉降量隨時間變化曲線

由圖2可見，上臺階開挖后，受施工爆破擾動影響，拱頂各個測點下沉明顯，隨著掌子面的繼續(xù)推進和時間的推移，監(jiān)測10 d后下沉速度減小，變形漸趨平穩(wěn)。中間測點G2沉降量于上臺階掌子面距離超過監(jiān)測斷面3D時開始處于穩(wěn)定值，為10～11 mm，這一過程中的變形占總變形量的74.5%。當(dāng)下臺階掌子面開挖至距離監(jiān)測斷面10 m遠時，施工爆破造成監(jiān)測斷面處的圍巖又一次的擾動和應(yīng)力重分布，拱頂下沉再次出現(xiàn)較大增長。中間測點G2沉降值于下臺階掌子面超過監(jiān)測斷面5D處時達到最大值，為18 mm，下臺階開挖一周后，隨著下臺階掌子面的遠離，拱頂下沉變化速率逐漸減緩，下沉量達到穩(wěn)定狀態(tài)并略有回升趨勢。這一過程中的變形占總變形量的25.5%。

拱頂下沉監(jiān)測斷面YK42+681三個測點隨上下臺階開挖的最大沉降值統(tǒng)計如表2所示。

表2 YK42+681拱頂下沉測點隨上下臺階開挖的最大沉降值

3.2 YK40+379監(jiān)測斷面

上臺階掌子面開挖過2 m后布置拱頂下沉監(jiān)測斷面YK40+379，此時下臺階掌子面距離監(jiān)測斷面19 m。施工過程中，上下臺階掌子面保持約20 m的距離。拱頂下沉測點沉降值隨時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，上臺階開挖時，受施工爆破擾動影響，拱頂下沉明顯，隨著掌子面的遠離和時間的推移，變形速率逐漸減小，拱頂下沉經(jīng)歷15 d的持續(xù)下降后，變形量漸趨平穩(wěn)。測點 G1，G2，G3沉降量于上臺階掌子面距離超過監(jiān)測斷面2D時開始處于穩(wěn)定值，中間測點G2沉降值達37.7 mm，這一過程中的變形占總變形量的73.5%。下臺階開挖時，施工爆破造成圍巖二次擾動，應(yīng)力重分布，拱頂下沉測點沉降值又一次顯著下降并隨著下臺階掌子面的遠離再次趨于穩(wěn)定，中間測點G2沉降值最終沉降量為51.3 mm，這一過程中的變形占總變形量的26.5%。

圖3 Y K40+379初期襯砌拱頂沉降量隨時間變化曲線

拱頂下沉監(jiān)測斷面YK40+379三個測點隨上下臺階開挖的最大沉降值統(tǒng)計如表3所示。

綜合以上兩個監(jiān)測斷面拱頂下沉情況，可得如下規(guī)律：

怒江州政府從2003年開始大量招商引資，推進中小水電開發(fā)。國家發(fā)改委評審?fù)ㄟ^了《怒江中下游水電規(guī)劃報告》，計劃了在怒江修建“兩庫十三級”電站的開發(fā)方案,但上述規(guī)劃方案遭到了環(huán)保組織的反對。在隨后的十一五、十二五國家能源發(fā)展規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)的計劃一直位列其中。通過民間環(huán)保力量的不懈努力，經(jīng)過十多年保護與開發(fā)的探討，在2016年12月的能源發(fā)展十三五規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)終于出列。

1)上下臺階開挖至監(jiān)測斷面前后，拱頂?shù)娜齻€測點沉降量均出現(xiàn)一定程度的突變，拱頂下沉經(jīng)歷了三個階段：急劇變形階段、緩和變形階段及基本穩(wěn)定階段。

2)上臺階開挖后10～15 d內(nèi)，圍巖變形很強烈，拱頂下沉量達到總下沉量的70%。強烈變形過后，由于巖土體材料的黏彈性，圍巖變形進入波動期并很快進入緩慢變形期，變形趨于平衡。

3)下臺階開挖時，對上部圍巖擾動較小，下臺階開挖導(dǎo)致的拱頂下沉量只占總下沉量的30%。

表3 YK40+379拱頂下沉測點隨上下臺階開挖的最大沉降值

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

本次數(shù)值模擬作為平面問題處理，物理模型定為彈性模型。為消除邊界效應(yīng)，所建立的模型具有足夠大的尺寸，模型范圍為隧道長寬的3倍以上。因監(jiān)測數(shù)據(jù)均量測于二次襯砌施作前，故數(shù)值模擬中只考慮初期支護作用，C20噴射混凝土等效為梁單元，φ25中空錨桿等效為桿單元。根據(jù)實際經(jīng)驗與隧道開挖理論，模型兩側(cè)邊界設(shè)為水平位移約束，下邊界設(shè)為豎直位移約束，上邊界為自由邊界。

在上下臺階施工模擬時，圍巖應(yīng)力分步釋放。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到上臺階支護完成后應(yīng)力釋放75%，下臺階支護完成后應(yīng)力釋放25%。計算分5個增量步：①初始地應(yīng)力計算;②上臺階開挖;③上臺階初期支護;④下臺階開挖;⑤下臺階初期支護。

計算中圍巖重度參考勘察報告，支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)來自隧道設(shè)計資料，其它計算參數(shù)按照公路隧道設(shè)計規(guī)范［10］取值，如表4和表5所示。

表4 YK40+379處Ⅵ級圍巖計算參數(shù)

表5 支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 有限元計算結(jié)果

圖4 計算斷面變形云圖(上臺階開挖)(單位：m)

4.3 計算結(jié)果分析

計算斷面的拱頂下沉計算結(jié)果與實測值對比見表6。從實測結(jié)果來看，隧道的拱頂最終下沉量為51.3 mm，而數(shù)值模擬的拱頂最大下沉量為48.9 mm;上臺階開挖支護完畢時，隧道拱頂實測下沉量為37.7 mm，而數(shù)值模擬的下沉量為37.4 mm。計算結(jié)果和實測結(jié)果基本相符合。

圖5 計算斷面變形矢量圖(上臺階開挖)(單位：m)

圖6 計算斷面變形云圖(開挖完成后)(單位：m)

圖7 計算斷面變形矢量圖(開挖完成后)(單位：m)

從數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)對比可知，本次數(shù)值模擬計算效果較好，可在指導(dǎo)施工實踐中起到一定的參考作用。由計算結(jié)果與實測值可知，上臺階開挖拱頂沉降量占總沉降量的絕大部分，因此在上臺階施工中應(yīng)注意開挖進尺和爆破裝藥量等，盡量減弱施工擾動的影響。

表6 計算結(jié)果與實測值的對比

5 結(jié)論

本文通過對杉樹坳隧道臺階法施工的現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬對比，研究了臺階法開挖施工進度與變形之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

1)隧道上下臺階開挖前后拱頂下沉都經(jīng)歷了三個階段：急劇變形階段、緩和變形階段及基本穩(wěn)定階段。上臺階開挖引起的拱頂變形是總變形的主要組成部分，可達到總變形量的70%以上。

2)隧道下臺階開挖及初期支護30 d左右，圍巖基本穩(wěn)定，可按規(guī)范要求適時施作二次襯砌。

3)通過現(xiàn)場監(jiān)控量測，可及時掌握圍巖和初期支護在施工中的變形情況及穩(wěn)定程度，為評價和修改初期支護參數(shù)、保證隧道施工安全和二次襯砌施作時間提供依據(jù)。

4)通過典型斷面的數(shù)值模擬，對隧道拱頂下沉隨施工工序變化的實測值與計算值進行對比，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)確定應(yīng)力釋放系數(shù)規(guī)律，進一步通過數(shù)值模擬分析，預(yù)測圍巖變形是可行的。

［1］李曉紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［2］關(guān)寶樹，國兆林.隧道及地下工程［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

［3］蘇興.監(jiān)控量測技術(shù)在淺埋大跨度雙線鐵路隧道中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2011(7)：60-62.

［4］施成華，彭立敏，劉寶琛.淺埋隧道施工引起的縱向地層移動與變形［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(4)：87-91.

［5］施成華，彭立敏.淺埋隧道開挖縱向地表變形預(yù)測及其基本規(guī)律［J］.中國公路學(xué)報，2004，17(2)：73-77.

［6］陽軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［7］張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預(yù)測［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(10)：1703-1707.

［8］姜德義，任松，劉新榮，等.隧道拱頂下沉?xí)r序遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006，2(4)：547-550.

［9］中華人民共和國交通部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［10］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

U455.4

A

1003-1995(2012)01-0044-04

2011-04-19;

2011-10-18

馬顯紅(1971— )，男，貴州貴陽人，高級工程師。

(責(zé)任審編 白敏華)