雙側壁導坑法在隧道施工中的應用與研究

鐘 濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

0 引言

隨著隧道工程技術的進步，深埋長大越嶺隧道不斷出現，同時也出現了很多工程問題。華南地區山嶺隧道進口段圍巖級別很差，一般都是Ⅴ級圍巖，給施工帶來很大危險。文章以粵湘高速公路博羅至深圳段水澗山隧道為研究背景，隧道左線起訖樁號ZK29+471～ZK32+400，長2 929 m，其中Ⅴ級圍巖94.3 m，Ⅴ級圍巖地段最大埋深18 m，最小埋深14 m。通過對進口采用雙側壁導坑法的一段進行研究，并運用FLAC3D有限差分軟件進行模擬分析。

1 雙側壁導坑法開挖的數值模擬分析

1.1 模型計算范圍的建立

計算范圍:模型上邊界至地表，隧道頂部覆土層厚度按16 m選取，下邊界到隧道底部取為15.65 m，約為2.5D(D為隧道直徑，D=6.35 m)，模型縱向沿隧道軸線長度取為50 m，橫向取至距隧道中線兩側各4D，這樣整個模型尺寸長為50 m，寬為70 m，高為38 m。選取的模型尺寸足以考慮隧道施工擾動的影響范圍。模型的選取:模擬選取空模型實現土方開挖過程的模擬，巖土體材料采用塑性摩爾—庫侖模型模擬，預支護、初次襯砌、二次襯砌采用彈性本構模型模擬，變形模式采用大應變變形模式進行計算。

1.2 雙側壁導坑法模型分析

模型的整個部分采用實體單元建模，共劃分173 829個實體單元，142 536個實體單元節點，如圖1所示。

1.3 計算結果分析

將數值模擬結果與實測結果進行對比，一方面，可以驗證數值模擬的正確性;另一方面，通過數值模擬結果可以分析隧道開挖過程中拱頂位移與水平位移的變形規律。

圖1 模型立面圖

由圖2，圖3可知，拱頂最大沉降值為22.123 1 mm，隧道兩幫的水平收斂位移為6.501 2 mm，從豎直沉降位移歷時曲線和水平沉降位移歷時曲線也可以看出，隨著開挖的不斷進行，沉降在不斷的增加(見圖4，圖5)。

圖2 雙側壁導坑法豎直位移云圖

圖3 雙側壁導坑法水平位移云圖

2 雙側壁導坑法實測數據回歸分析

根據現場監測得到的數據繪出的表格與常用的非線性函數圖形進行比較，得到指數模型函數最適合。對此指數函數線性化，方法如下:

式(1)則是式(2)線性化的直線方程，其參數的確定可按線性回歸的方法確定。通過Excel回歸分析計算后得到:拱頂沉降位移:判定系數:r=0.989 6，截距:lna=3.807 677，則 a=24.961 7;b=1.246 7。得到 u=24.961 7 × e－1.2467/t。ZK29+580 拱頂下沉量測數據的處理與回歸分析結果見表1。

圖4 隧道拱頂處豎直沉降位移數值模擬時間曲線圖

圖5 隧道兩幫處水平沉降位移數值模擬時間曲線圖

表1 ZK29+580拱頂下沉量測數據的處理與回歸分析

根據量測數據和選取的回歸方程繪制圖6。

圖6 下沉（U）隨時間（T）的變化關系圖

1)推算出最終下沉值Umax=30.040 3 mm;

2)推算出基本穩定時間:初測時間為2010年1月11日，預計第15天以后，拱頂累計下沉達24.95 mm，下沉率達83.16%≥80%;下沉速度為0.15 mm/d≤0.2 mm/d，故拱頂下沉基本穩定。

拱腰水平位移:判定系數:r=0.996 0，截距:lna=1.808 677，則 a=6.098 5;b=1.007 3。得到:u=6.098 5 × e－1.0073/t。ZK29+580兩幫收斂量測數據的處理與回歸分析見表2。

根據量測數據和選取的回歸方程繪制圖7。

1)推算出最終收斂值Umax=6.904 0 mm;

表2 ZK29+580兩幫收斂量測數據的處理與回歸分析

2)推算出基本穩定時間:初測時間為2010年1月24日，預計第14天以后，周邊收斂累計達6.031 mm，下沉率達87.40%≥80%;下沉速度為 0.03 mm/d≤0.2 mm/d，故圍巖基本穩定。

圖7 收斂（U）隨時間（T）的變化關系圖

通過表1，表2可以得出回歸分析與監測數據大體相同，但由于回歸方程是基于線性關系的數學模型，而具體情況多變，大多是以非線性關系存在，而回歸方程是將已有監測數據擬合成線性函數方程，因此通過回歸方程得到的數據會和現實監測存在誤差，只能預測大概位移變化值。

3 結語

1)對隧道施工過程中的監控量測做了簡要分析，并對選取的典型斷面得到的監控量測數據做了回歸分析，得出雙側壁導坑法的拱頂沉降和兩幫收斂值的回歸分析結果分別為30.040 3 mm和6.904 mm;

2)對比分析了監測數據與數值模擬結果，得出了模擬值偏小的原因，但是把數值模擬得到的結果進行增大，乘以安全系數1.1～1.2就可以在安全的范圍去指導工程實踐，用來幫助分析施工前對隧道的圍巖穩定性以及周圍環境影響的提前可預見性。

［1］鄧 江.貓山公路隧道工程技術［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］楊小永.高速公路隧道圍巖穩定性研究［D］.西安:長安大學碩士學位論文，2004:101-105.

［3］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［4］王金安，王樹仁，馮錦艷，等.巖土工程數值計算方法實用教程［M］.北京:科學出版社，2010.