偏壓隧道的進洞施工擾動效應及安全監控*

袁 維，傅鶴林，徐 武，2，陳政希

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075;2.江西理工大學，江西 贛州 341000;3.湖南城市學院，湖南益陽 413000)

近年來，隨著西部交通建設步伐的加快，工程施工過程中須克服諸多不利因素，特別地，復雜地質條件下的偏壓隧道進洞施工給設計和施工人員帶來了難度。為此，國內科研人員開展了相關的研究工作，并取得了一些具有實踐意義的成果。在偏壓隧道施工方面，肖劍秋［1］對公路偏壓隧道進行量測與有限元模擬分析;雷金山等［2］針對大跨度偏壓連拱隧道現場監測與受力分析;劉小軍等［3－5］結合工程實踐對偏壓隧道施工過程進行了研究;蘇永華等［6］對越嶺淺埋偏壓隧道支護系統承載特性進行了分析。在監控方面，徐林生［7］研究了公路隧道圍巖變形監測及其應用;王彥武［8］基于太舊高速公路北茹隧道進行了圍巖變形監測;黃成光等［9－10］對隧道施工安全監控都進行了深入研究。

這些成果涉及偏壓隧道施工技術和圍巖變形機理。但是，由于隧道施工的復雜多樣性，還須結合具體工程解決實際的問題。本文擬根據某公路隧道進洞段地質條件復雜且較差的特點，利用有限差分數值分析方法，對偏壓隧道進洞施工過程進行數值模擬，研究地層圍巖的變形及支護結構受力情況，并結合監控量測手段及時監測地層圍巖變形，確保進洞施工的安全。

1 隧道進洞段工程概況

1.1 地質條件

該隧道里程K16+260～K16+290段為隧道進口段，該處進洞洞頂最小埋深約8 m，仰坡坡度為16°。隧道周邊圍巖為黃褐色強－中等風化砂巖，塊狀、碎塊狀，不等厚層，巖層產狀為192°∠31°。巖石堅硬較難擊碎。巖體不完整，節理發育，產狀為355°∠55°，節理張開，延伸超過 20 m，泥質充填，結合程度差。該節理面走向與隧道軸線斜交，對隧道形成偏壓。該段開挖后有少量出水。圍巖易坍塌，處理不當會出現大的坍塌、冒頂，側壁經常出現小坍塌。

1.2 施工方法

隧道進口偏壓段采用短進尺多循環方式進洞，以機械開挖為主，少量邊角采用放小炮的方式開挖，該處圍巖等級為V和Ⅳ級，采用臺階法施工。

預支護及初期支護措施為:導向套拱采用4榀I20b工字鋼，打設108大棚，初支進行加強，鋼拱架采用I20b工字鋼，間距為60 cm，錨桿采用25的中空注漿錨桿，長度加長到6 m，并與拱架牢固相連。

2 模型的建立及參數的選取

2.1 模型的建立

考慮最不利條件下的隧道開挖，取進洞模型洞頂最小埋深為8 m，仰坡坡度為16°，建立該隧道進洞臺階法施工開挖三維計算模型，如圖1所示。其中，模型尺寸:x方向長度為53.8 m，y方向長度為30 m，隧道前端洞口拱頂埋深為8 m，末端洞口拱頂埋深為16.7 m。上覆土體、圍巖及注漿加固區皆采用8節點6面體實體單元，共劃分18 480個三維單元體(zones)和 20 560個節點(gridpoints)。

圖1 隧道進口臺階法數值模型Fig.1 Tunnel entrance numerical model of step constructon method

圖2 初期支護結構模型Fig.2 Early supporting structure model

上覆土體、圍巖及注漿加固區本構模型皆采用Mohr－coulomb理想彈塑性模型;超前管棚采用shell單元模擬，鋼拱架與網噴初期支護合并采用shell單元模擬，并通過設置不同的shell厚度達到區別管棚作用的目的。邊墻中空注漿錨桿采用cable單元模擬，并通過提高注漿區域土體參數模擬錨桿注漿加固圍巖的效應。二次襯砌作為強度儲備，在此僅考慮初期支護結構對隧道的支撐作用，支護結構模型如圖2所示。在參考該公路隧道有關地質資料并結合相關工程經驗的基礎上，擬定各模擬單元所采用的力學計算參數如表1～4所示。

表1 巖土體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 超前管棚力學參數Table 2 Mechanical parameters of advanced pipe－shed

表3 錨索結構單元力學參數Table 3 Mechanical parameters of cable structure

表4 初期支護結構(鋼拱架+網噴)力學參數Table 4 Mechanical parameters of early supporting structure(Steel arch+net spray support)

其邊界條件為:模型左右邊界約束x方向位移;前后邊界約束y方向位移;底面約束全部x，y，z方向位移，模擬固定端的邊界條件;頂面為自由面。

2.2 施工工況的模擬

結合現場施工情況，確定該數值模擬計算步驟見表5。第1步～第7步依照施工工序進行開挖及初期支護與錨桿注漿，計算以不平衡力趨于收斂為止。

表5 數值模擬計算步驟Table 5 Numerical calculating steps

3 計算結果分析

3.1 圍巖變形分析

為了更直觀地了解隧道進口段臺階法施工各步驟下的圍巖變形規律，計算時在模型中設置了如圖3所示的L1～L5共5條位移變形監測線。其中:L1為距開挖起點8 m處斷面地表豎向沉降值;L2為隧道拱頂上方地表沿軸線沉降值;L3為隧道拱頂沿軸線沉降值;L4為隧道拱底沿軸線隆起值;L5為隧道左側拱腰向凈空收斂值。每開挖步掘進4 m求解完成后記錄各監測軸線上相應的位移分布，繪制成變形曲線見圖4～8。

圖3 變形監測線布置Fig.3 Distribution of deformation monitoring lines

圖4 監測線L1地表沉降變化Fig.4 Monitoring line L1 of ground settlement

從圖4可以看出:距開挖起點8 m處斷面地表沉降在隧道中心線附近最大，距離隧道中心線20 m區域內的沉降變化已趨于穩定。隨著開挖的進行，隧道中心線附近的豎向沉降值越來越大，呈現漏斗狀分布。

圖5 監測線L2地表沉降變化Fig.5 Monitoring line L1 of ground settlement

圖6 監測線L3隧道拱頂沉降變化Fig.6 Monitoring line L3 of tunnel crown settlement

從圖5可以看出:隨著隧道的掘進，掌子面附近正上方地表沉降逐漸增大，而掌子面后方地表沉降值仍然繼續發展。在掌子面掘進28 m左右之后，初始開挖斷面上方地表沉降趨于穩定，其穩定值為－2.79 mm。總的看來，在開挖過程中，隧道上方沿軸線地表沉降保持較小。

通過對比圖6與圖5的沉降變化曲線可知:(1)拱頂與地表沉降均發生在開挖掌子面附近，兩者沉降變化趨勢相似，但拱頂沉降值更大，相較地表沉降值增加了約100%;(2)開挖掌子面前后區域拱頂沉降值區別較大，與地表沉降相比，拱頂沉降的變化幅度更趨激烈，這點可從兩者曲線變化弧度看出;(3)拱頂與地表沉降皆在掌子面開挖28 m左右趨于穩定，此時拱頂累計最大沉降值達到－3.83 mm。

圖7 監測線L4隧道拱底隆起值Fig.7 Monitoring line L4 of tunnel arch bottom heave

從圖7可以看出:拱底沉降變化均表現為向上隆起，由于隧道開挖引起應力釋放，造成拱底土體向上隆起;拱圈閉合后，由于局部荷載擠壓作用，仍有隆起發生，并距掌子面28 m處趨于穩定，最大值達到6.39 mm。從圖8可見:在隧道開挖后，拱腰收斂變化首先表現為微小的向凈空收斂，隨著開挖掌子面的推進，收斂值變化為向兩側外擴，由于上部圍巖土體壓力通過拱腰處拱圈的向外擠壓分散了一部分上部壓力，造成拱腰向外擴張增大;在掌子面開挖28 m左右收斂值趨于穩定;在整個開挖過程中，側壁向內收斂值很小，可忽略不計。

圖8 監測線L5隧道左側拱腰收斂值Fig.8 Monitoring line L5 of left arch tunnel convergence

3.2 支護結構受力分析

圖9 初期支護結構受力分布圖Fig.9 Stress distribution of early supporting structure

從圖9可以看出:(1)支護結構兩側彎矩大致呈對稱分布，最大值集中于兩側拱腳處，分布為外側受拉的彎矩，其最大值為196.2 kN·m，該拱腳處出現了應力集中，主要是由于拱腳處圓弧曲率較大造成受力集中所引起;在拱底區域出現了一定內側受拉的彎矩，其大小約為拱頂彎矩的2～3倍，最大值為97.3 kN·m，主要是底部土體向上隆起所致;(2)環向軸力(即Nx)皆為受壓，拱頂及拱底軸力分布較為均勻，而在隧道兩側拱腰處，軸力達到最大值，其壓力為1271.8 kN，主要承受上部土體的豎向荷載;縱向軸力(即Ny)的最大值主要分布于開挖洞口附近，該處隧道初承受來自圍巖土體向外的擠壓力，而在拱底處承受一定的受拉軸力，其最大拉力值為218.1 kN，由于初期支護結構的整體性防止了支護結構的向外擠出。(3)在拱頂及拱底處剪力值較小，這點從彎矩圖即可看出，最大剪力值主要集中于兩側拱腳處，并在拱腳處出現了正、負剪力的交替轉換，其最大正剪力值為215.3 kN，最小負剪力值為－218.4 kN，這正是拱腳處彎矩最大的原因。

4 現場監控量測分析

4.1 監測數據采集

針對該隧道進口K16+270～K16+900段施工進行現場監控量測，共布置27個拱頂沉降、凈空收斂及地表沉降監測斷面。由于監測斷面較多且持續時間長，現僅例舉典型斷面地表沉降、拱頂沉降、以及凈空收斂隨時間累計變化曲線，分別如圖10～12所示。

圖10 隧道進口邊坡地表監測點的累計沉降－時間曲線圖Fig.10 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance slope surface

由圖10可以看出:從12月6日—3月13日進口邊坡地表最大累計沉降量為2.1 mm，該沉降點出現在JDC－3處，其他測點均小于該值。監測結果表明:隧道進口段邊坡地表沉降量均普遍較小，累計量值均在±3.0 mm以內，且變形速率發展極其緩慢。隨著進出口段二襯施工逐步跟進，進出口地表沉降均無較明顯的變化。說明邊坡基本趨于穩定，隧道施工對邊坡擾動基本無影響。

圖11 隧道進口各斷面拱頂監測點的累計沉降－時間曲線圖Fig.11 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance sections

由圖11和圖12可見:從2月25日—4月18日進口段拱頂沉降最大累計沉降值為－19.0 mm，該沉降點出現在K16+469斷面;從4月29日—6月10日進口凈空收斂最大累計位移為19.5 mm，出現在K16+715斷面1－＞3測線。

圖12 隧道進口段斷面K16+715的累計收斂－時間曲線圖Fig.12 Accumulated convergence － time curve of monitoring points at tunnel entrance section K16+715

4.2 與數值計算結果對比分析

通過對比數值計算結果與現場的監控量測結果分析如下:(1)兩者在隧道開挖下引起的圍巖變形趨勢一致，皆表現為剛開挖階段變形較大，隨著開挖及支護的跟進，變形幅度逐漸變小，并最終趨于穩定;(2)數值計算結果認為距離掌子面28 m附近地表及洞內變形趨于穩定，而現場監測顯示接近30 d左右圍巖變形才趨于穩定;(3)數值計算的圍巖變形值大于現場監測值，這是由于計算中只考慮了初期支護的作用，未計入二襯的影響;(4)通過數值計算與現場監測的相互驗證，表明該偏壓隧道進洞施工及支護方案較為合理，為防止隧道前期變形過大，須確保支護措施及時跟進施工。

5 結論及建議

(1)偏壓隧道開挖引起的拱頂與地表沉降均集中于開挖掌子面附近，兩者沉降變化形式相似，但拱頂沉降值更大，且拱頂沉降的變化幅度更趨激烈。拱底沉降變化均表現為向上隆起，在拱圈閉合后，逐漸趨于穩定。拱腰收斂變化首先表現為微小的向凈空收斂，隨著掌子面開挖的推進，收斂值變化為向兩側外擴。

(2)初期支護結構受力大致呈對稱分布，在兩側拱腳處存在較大的應力集中，主要是由于拱腳處圓弧曲率變化較大引起，建議拱腳采取連續曲率變化形式。

(3)偏壓隧道現場監控量測須密切關注監測信息變化，出現異常情況及時制定或調整施工及支護方案，現場監測結果表明:為防止隧道前期變形過大，須及時跟進隧道初期支護及二襯施工。

(4)數值計算結合現場監測，可以有效地把握隧道進洞動態施工，并為圍巖類別調整、初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供了依據。

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