單線淺埋隧道開挖圍巖穩(wěn)定性及變形特性分析

王思 陶軍 薛凡

中國(guó)機(jī)械工業(yè)第二建設(shè)工程有限公司 湖北武漢 430000

隨著地下空間利用的發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)加快，基礎(chǔ)建設(shè)正在大規(guī)模的進(jìn)行，為了進(jìn)一步解決運(yùn)輸成本高和時(shí)間長(zhǎng)的問題，修建隧道是一個(gè)高性價(jià)比的解決方案。在一些淺埋隧道開挖過程中，為了不破壞隧道上方原有構(gòu)筑物的前提下，采用暗挖法對(duì)淺埋隧道進(jìn)行施工是目前普遍采用的技術(shù)。但是在隧道施工過程中引起的地表沉降和圍巖的變形問題仍然是設(shè)計(jì)、施工人員和科研工作者普遍關(guān)注的問題，還未開挖的巖體處于應(yīng)力平衡無變形狀態(tài)，圍巖的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)隨著隧道開挖被破壞，圍巖經(jīng)過變形的過程使應(yīng)力達(dá)到再平衡。然而，圍巖的應(yīng)力分布和位移的變化也決定了圍巖的穩(wěn)定性及施工過程中的安全性，因此，研究圍巖變形控制量這一影響隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的重要因素，成為探究隧道開挖穩(wěn)定性的首要內(nèi)容。

1 單線隧道工程概況

海關(guān)監(jiān)管物流地下通道工程位于青島市藍(lán)村鎮(zhèn)泉東村東南約600m，通道結(jié)構(gòu)中心線位于5218樁號(hào)K144+200處，與現(xiàn)狀三城線交叉角度為63°。地下通道進(jìn)口端起于青島國(guó)際陸港監(jiān)管物流中心南側(cè)，緊鄰5218省道，該處邊坡高差約12m，坡度一般62—75°，最大90°。地下通道總體走向呈西南向東北直線形，終點(diǎn)端90°轉(zhuǎn)彎穿出地面。其中明挖段長(zhǎng)度為50m，暗挖段長(zhǎng)度為76m，隧道平均覆土埋深約6m；K0+094—K0+170為暗挖段；主體結(jié)構(gòu)為三心圓拱型復(fù)合襯砌直墻結(jié)構(gòu)，隧道整體采用暗挖CRD工法逆筑施工，利用工字型鋼與鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土作為斷面開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)，將整個(gè)斷面分洞室開挖[1]。

2 隧道模型的建立

2.1 隧道模型參數(shù)選取

根據(jù)青島青島海關(guān)監(jiān)管地下物流通道工程巖土勘察報(bào)告，有限元模型所處地層的巖土類型從上到下依次為第四系人工素填土(雜填土，以粘性土為主，含建筑垃圾等)粉質(zhì)粘土等、中風(fēng)化玄武巖以及微風(fēng)化玄武巖。不同巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1 不同地層力學(xué)參數(shù)

隧道開挖方式為CRD法暗挖，圍巖為中風(fēng)化玄武巖，圍巖等級(jí)為V級(jí)，隧道圍巖的力學(xué)特性及二次襯砌支護(hù)混凝土材料的力學(xué)參數(shù)見表2：

表2 圍巖與二襯力學(xué)參數(shù)

2.2 模型的假設(shè)

（1）模型中巖體假定為連續(xù)均勻性介質(zhì)，其整體變形在各個(gè)方向上具有同一性。

（2）將隧道模型簡(jiǎn)化為彈塑性模型，圍巖受到塑性變形時(shí)遵從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

（3）為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，巖體的自身重力構(gòu)成隧道圍巖的初始應(yīng)力分布場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)圍巖的影響不在考慮范圍內(nèi)[2]。

2.3 模擬結(jié)果分析

利用有限元軟件對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬，構(gòu)建三維模型。

圖1為隧道豎向位移云圖，從圖中可以看出在洞室開挖之后，拱頂附近的位移變形尤為突出，拱頂部位的豎向沉降值最大，數(shù)值計(jì)算獲得的模擬值為-7.4mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值為-6.2mm，隧道的拱腳處位移變形較拱頂附近稍晚，對(duì)比模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩者之間的差異，拱頂處的豎向變形在開挖完成后有減緩的趨勢(shì)，而拱腳處的變形加劇。在施作襯砌開始，拱頂?shù)淖冃芜M(jìn)一步減小，與水平收斂較為相近，兩者的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值基本一致。

圖1 豎直方向變形圖

圖2為模型水平收斂位移云圖，從圖中可以看出圍巖水平收斂主要集中在拱腳和豎直拱墻處，隨著中隔壁支撐結(jié)構(gòu)的陸續(xù)拆除，隧道內(nèi)部拱形結(jié)構(gòu)承擔(dān)隧道的所有受力，拱腳所受的的圍巖應(yīng)力劇增，在應(yīng)力分布平衡后，拱腳處所受應(yīng)力有所減小，豎直拱墻受到兩側(cè)巖體的擠壓應(yīng)力而發(fā)生水平位移。在隧道二襯結(jié)構(gòu)澆筑成型之后，拱頂豎向位移與洞身水平收斂速率降低，隧道整體趨于穩(wěn)定。

圖2 水平方向收斂圖

3 圍巖拱頂下沉結(jié)果分析

由圖3分析可知：隨著開挖工作面的推進(jìn)隧道圍巖拱頂沉降累計(jì)變化值先快速增長(zhǎng)最后趨于穩(wěn)定，隧道在開挖前期沉降速率保持穩(wěn)定，在1.5mm/d左右，在開挖至K0+134.5斷面附近時(shí)隧道的拱頂沉降速率降低，這與實(shí)測(cè)變形規(guī)律一致。數(shù)值模擬所得到的拱頂累計(jì)沉降值為7.44mm，超過實(shí)測(cè)值的20%，此情況可能是由于在模擬計(jì)算時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)換算過大導(dǎo)致，以及隧道在開挖過程中初襯結(jié)構(gòu)及時(shí)支護(hù)的原因[3]，導(dǎo)致隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)值比模擬值小。通過對(duì)圍巖拱頂豎向位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：圍巖豎向位移在隧道橫截面輪廓線上沿徑向呈現(xiàn)近密遠(yuǎn)疏的分布規(guī)律，基于此規(guī)律可得處不同深度的圍巖豎向位移變形值也呈現(xiàn)明顯不同的趨勢(shì)，其中最大位移沉降量在隧道拱頂處，變形值由拱頂處向地表逐漸減小，仰拱和拱頂?shù)奈灰扑p規(guī)律較為一致，隧道圍巖的整體變形從拱頂開始向仰拱表現(xiàn)為非均勻分布，其中拱頂處的累計(jì)沉降值較實(shí)測(cè)值大，而腰拱處變形值較實(shí)測(cè)值小，分析其原因是由于在模擬隧道開挖過程與實(shí)際過程存在的差異性以及掘進(jìn)過程中圍巖的應(yīng)力釋放快慢程度所引起的。

圖3 拱頂沉降隨里程變化曲線圖

圍巖凈空收斂結(jié)果分析。選取隧道橫斷面SL-1～SL-18所測(cè)得的水平收斂數(shù)據(jù)作為結(jié)果分析，每次選取距離開挖工作面4.5m的斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。圖4為圍巖水平收斂實(shí)測(cè)值與模擬值隨里程變化曲線圖，結(jié)合隧道圍巖整體水平收斂變形分析可知：圍巖在隧道開挖前期穩(wěn)定性較差，其水平收斂變形值較大，待整體圍巖成型后，其收斂變形量趨于平緩，在仰拱施作完成之后，隧道整體形成一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，圍巖水平收斂進(jìn)一步減小，其直觀反映表現(xiàn)在隧道圍巖應(yīng)力形成新的平衡，隧道趨于穩(wěn)定。可以看出，隧道圍巖的變形依次經(jīng)歷變形加劇、增長(zhǎng)緩慢、保持穩(wěn)定。由圖4可以看出模擬值一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，而圍巖變形實(shí)測(cè)值在K0+107.5～K0+134.5出現(xiàn)與模擬值不同的情況，其主要原因在于開挖此區(qū)段的時(shí)候，整個(gè)工程處于雨季，降雨因素使得隧道開挖進(jìn)度較為緩慢，此區(qū)段內(nèi)的隧道圍巖整體變形量呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，而隧道模型在計(jì)算時(shí)并未考慮降雨對(duì)隧道掘進(jìn)的影響，故而在此區(qū)段出現(xiàn)兩種增長(zhǎng)速度不同的曲線[4]。

圖4 隧道全斷面周邊收斂里程曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過提取基于CRD工法開挖單線淺埋隧道施工過程中拱頂豎向沉降、洞周水平收斂的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)，深入分析后得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過對(duì)開挖后的地層位移和地表沉降值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地層位移最大值出現(xiàn)在隧道拱頂和仰拱處，應(yīng)注意對(duì)這部分的支護(hù)和監(jiān)測(cè)。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，隧道的拱頂沉降在斷面中心線正上方變形最大，地表處圍巖變形量最小，在仰拱未澆筑成型之前，拱腳的穩(wěn)定性和強(qiáng)度最低，拱腳處的水平收斂值處于較高水平，其收斂衰減最大處距開挖輪廓線較遠(yuǎn)，需要及時(shí)支護(hù)來控制圍巖變形[5]。

（3）數(shù)值分析所得的變形值大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差在允許范圍內(nèi)，可能原因是不同地層損失率、內(nèi)摩擦角、隧道單位長(zhǎng)度的理論體積取值存在一定的誤差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果得知圍巖的沉降數(shù)值較小，處于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，是因?yàn)樵谒淼篱_挖過程中得到及時(shí)支護(hù)以及注漿加固，經(jīng)過應(yīng)力平衡再分配，使隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力保持平衡。