順層偏壓地段隧道施工模擬及監控量測結果分析

□文/張毅 馬龍

順層偏壓地段隧道施工模擬及監控量測結果分析

□文/張毅 馬龍

通過某隧道數值模擬與現場監測數據對比，驗證數值模擬可以指導現場施工。同時為順層偏壓隧道施工提供了科學的施工措施。

順層偏壓；隧道；數值模擬；監控測量

堡鎮隧道DK71+50～DK72+560段，隧道洞軸平行地層走向，巖層傾向山體（傾向右側），傾角40°～50°，存在偏壓，隧道埋深100～200 m，計算埋深為150 m，圍巖為Ⅳ。為研究順層偏壓環境下隧道施工的安全性，采用巖土工程分析軟件FLAC3D進行數值模擬。

1　計算工況

根據隧道地質情況，隧道采用三臺階五步開挖方法。三臺階五步開挖法適用于各種地質條件和地下水條件，根據圍巖變化可通過調整循環進尺、支護參數、預留沉降量等措施，有效控制拱頂沉降、凈空收斂；通過合理臺階高度劃分，簡易鉆孔臺架搭、拆方便、快速減少工序時間；三臺階順序施工，出碴、錨桿施做、鋼拱架架立等工序可平行作業，及時支護保證結構安全同時減少循環作業時間；適合各種斷面形式，變化斷面高度靈活。上臺階開挖后立即支護，開挖2 m一進尺；掌子面開挖（三臺階五步開挖方法）嚴禁左右側對開，中臺階和下臺階兩側交錯距離6 m，開挖2 m一進尺。隧道斷面形式和三臺階五步開挖法見圖1。

圖1　三臺階五步開挖法施工順序

2　計算模型及參數

2.1計算模型

此數值模擬時以Ⅳ級圍巖設計支護進行參數選取，隧道Ⅳ級圍巖。整個計算模型在x、y、z三個方向尺寸為70 m×50 m×204.2 m，y軸正向為隧道開挖方向，z軸向上為正。計算模型見圖2、局部網格放大見圖3。數值計算采用ubiquitous遍歷節理模型，巖體的剪切屈服采用非關聯的流動法則，受拉屈服采用關聯的流動法則，隧道開挖采用null模型實現。

圖2　flac3d三維計算模型

圖3　局部網格放大

2.2計算參數選取

DK71+50～DK72+560段隧道主要穿越Ⅳ級圍巖，因此，選取Ⅳ級圍巖參數進行計算，加固圈參數按圍巖參數提高30%考慮。初期支護采用加固圈和噴射混凝土，加固圈厚度為3 m，噴射混凝土厚度為20 cm，圍巖和節理及加固圈參數見表1。

表1　圍巖和支護參數

3　計算結果及分析

為了解隧道開挖后對支護結構的影響，本計算選取y=3隧道斷面初期支護拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳應力進行監測以了解施工過程中支護結構受力情況，判斷支護結構受力是否對稱，對拱頂沉降、墻腰內部5 m內的位移以及最大水平收斂位移進行監測，防止隧道變形過大影響施工。

3.1應力分析

對y=3隧道斷面初期支護拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳最大壓應力進行分析。y=3斷面在隧道開挖40步后圍巖壓力分別為拱頂4.8 MPa、左拱腰1 MPa、左拱腳1 MPa、左墻腰1.6 MPa、左墻腳0.8 MPa、右拱腰2.5 MPa、右拱腳4.6 MPa、右墻腰2.3 MPa、右墻腳1.7 MPa。可以看出隧道拱頂和右拱腳應力值比較大，拱頂最大壓應力為4.49 MPa，右拱腳最大壓應力值為4.64 MPa；隧道左側圍巖壓應力比右側小，由于斷面處于單斜構造（傾向右側），巖層傾角約50°，同時節理發育。隧道開挖后，右側巖體失去了支撐力，在水平向側壓力的作用下造成巖體向隧道內變形，從而造成較大的圍巖壓力。而左側巖體雖然存在下滑的不利趨勢，但由于巖層間結合較好，沒有軟弱夾層，同時由于垂直于層面的作用力較大，因此制約了左側巖體的滑動，從而左側圍巖壓力較小。

圖4為隧道圍巖壓力隨開挖步變化關系。從圖4可以看出，隧道各個位置的應力隨開挖步增加而增加，但是應力值在第5步、12步、26步時有突變，各位置的應力值突然減小然后增加，這步數正好時開挖中臺階左部、中臺階右部、下臺階的時候。說明中臺階開挖破除了上臺階初期支護的下部支承，從而使初期支護圍巖壓力及初期支護應力都出現下降趨勢，隨后期邊墻支護的施作而又受圍巖應力釋放影響而增大。下臺階及仰拱開挖也對上部測點產生同樣的影響。

圖4　隧道各監測部位壓力隨開挖步關系

3.2位移分析

圖5為隧道各監測部位位移隨開挖步關系。從圖5可以看出，拱頂沉降、拱腳水平位移隨隧道開挖趨于穩定，拱頂最大沉降為7.27mm，左拱腳水平位移為6.2mm，右拱腳水平位移為-4.78mm，水平收斂值為10.98 mm。

圖5　隧道各監測部位位移隨開挖步關系

表2為離洞壁5 m范圍內圍巖內部位移。從表2可以看出，在距離洞壁3 m深處，位移＜1 mm，說明基本達到穩定原巖區，因此設計加固圈半徑3 m是合理的。

表2　圍巖內部位移計算結果

4　現場監控量測結果

4.1初期支護圍巖壓力

本斷面共埋設9個初期支護圍巖壓力測點，分別為拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腰、左右墻角。拱頂壓力為0.021 MPa、左拱腰為0.052 MPa、左拱腳為0.027 MPa、左墻腰為0.04 MPa、左墻腳為0 MPa、右拱腰為0.023 MPa、右拱腳為0.116 MPa、右墻腰為0.059MPa、右墻腳為0.043 MPa。最大圍巖壓力發生在右側拱腳和右墻腰處，分別為0.116、0.059 MPa，右側圍巖壓力大于左側。

4.2初期支護混凝土應力

本斷面共埋設9個初期支護圍巖壓力測點，分別為拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腰、左右墻角。拱頂壓力為5.323 MPa、左拱腰為2.642 MPa、左拱腳為0.955 MPa、左墻腰為1.577 MPa、左墻腳為0.596 MPa、右拱腰為5.89 MPa、右拱腳為3.48 MPa、右墻腰為3.151 MPa、右墻腳為2.151 MPa。最大應力為拱頂5.323 MPa，其次為右側拱腰3.589 MPa。右側圍巖壓力大于左側。

4.3圍巖內部位移

圍巖內部位移測試結果見表3。

表3　DK71+120斷面圍巖內部位移觀測結果

4.4凈空收斂測試結果

墻腰最大凈空收斂值為7.346 mm。

5　現場監測與數值模擬比較

由數值模擬計算可得，在巖層走向與隧道軸線一致，巖層傾角為50°時，隧道開挖后會產生偏壓且右側壓力大于左側，這與實際監測的結果是一致的。從圖4可以看出，在開挖中臺階和下臺階時，初期支護壓力突然減小而后增大，從實際監測數據中也可以印證這一點。模擬計算水平收斂位移為10.98 mm，而實際測量值為7.346 mm，雖然有一定的誤差，但差值不是很大，這可能與監測和模擬的位置誤差有關；從圍巖內部位移比較看，雖然在數值上計算值與現場監測值不完全一樣，但得出的基本規律是一致的，在距洞壁3 m處位移值＜1 mm，都說明采用加固圈半徑3 m或錨桿長度3 m是合理的。

從以上幾點可以得出，此數值模擬可信，能夠模擬實際情況，能夠指導實際施工。

6　小結

1）在巖層走向與隧道軸線一致，巖層傾角為50°時，隧道開挖后會產生偏壓且右側壓力大于左側。因此應加強右側圍巖的支護，根據巖層的傾向和傾角，右側錨桿應垂直于層面。

2）在距離洞壁3 m深處，位移基本在1 mm左右，說明基本達到穩定原巖區，因此設計加固圈半徑3 m或錨桿長度3 m是合理的。

3）在開挖中臺階和下臺階時，破除了上部臺階的下部支撐，使初期支護受力減小，施工中要盡可能保護好下部支撐。

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□馬龍/天津市地下鐵道集團有限公司。

U451+.1

C

1008-3197（2016）02-62-03

2015-12-22

張毅/男，1984年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道集團有限公司，從事地鐵建設施工管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.021