粗面花崗質(zhì)混合巖地層大斷面隧道施工變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究

楊澤平　陳峰賓

摘要：目前隧道預(yù)留變形量通常根據(jù)工程類比法進(jìn)行設(shè)置，缺乏聯(lián)系實(shí)際的理論指導(dǎo)極易造成資源浪費(fèi)。針對(duì)深埋硬巖隧道的變形特點(diǎn)，以某粗面巖、花崗混合巖大斷面隧道為工程依托，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段對(duì)隧道變形規(guī)律進(jìn)行分析，優(yōu)化隧道預(yù)留變形量。結(jié)果表明，新的方案能夠很好的運(yùn)用到該工程中，在一定程度上節(jié)省了開支，加快了工程進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：變形規(guī)律;預(yù)留變形量;數(shù)值模擬;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

分類號(hào)：U25

引言

目前，我國(guó)山嶺隧道修建普遍采用新奧法進(jìn)行修建，新奧法把圍巖當(dāng)做支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本部分，和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承載，積極貫徹“允許圍巖有適量的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力”。因此，預(yù)留變形量設(shè)置在新奧法中施工有著至關(guān)重要的作用。通常，隧道設(shè)計(jì)和施工一般是根據(jù)工程類比法確定[1]，預(yù)留變形量設(shè)置過小，圍巖易侵限，造成初期支護(hù)、二襯厚度不足或隧道凈空不滿足設(shè)計(jì)要求;預(yù)留變形量設(shè)置過大，隧道開挖量增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加，造成工期延誤和造價(jià)增加。本文以某粗面巖、花崗混合巖Ⅳ、Ⅴ級(jí)地層隧道為例，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)粗面巖、花崗混合巖Ⅳ、Ⅴ級(jí)深埋隧道預(yù)留變形量設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，為類似工程提供建議和參考。

1工程概況

某隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，起訖里程為DK30+425～DK43+399，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度12.974km，共設(shè)置4座輔助坑道，1號(hào)斜井長(zhǎng)667m，2號(hào)斜井長(zhǎng)896m，3號(hào)斜井長(zhǎng)1420m，4號(hào)斜井長(zhǎng)585m。隧址區(qū)地層巖性主要為：

1）侏羅系上統(tǒng)張家口組（J3z）噴出巖，為一套酸性及中偏堿性的火山噴出巖，主要巖性有粗面巖、流紋巖、凝灰質(zhì)礫巖及粗面安山巖。2）燕山早期（γ5z）花崗巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化狀態(tài)。3）太古界桑干群化家營(yíng)組（Arh）花崗質(zhì)混合巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化狀態(tài)。

2圍巖變形規(guī)律

圍巖的變形量是指隧道開挖之后，圍巖因失去約束而產(chǎn)生向坑道方向的收縮變形。圍巖變形量在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中為拱頂沉降與周邊收斂。一般而言，圍巖開挖后的總變形量μ包含隧道開挖前的超前變形μf、掌子面開挖后到量測(cè)工作開始前的變形μi及量測(cè)期間得到的累計(jì)變形μm等三部分，如圖1所示，對(duì)隧道工程而言，最為可靠且可以利用的就是第三部分監(jiān)測(cè)變形量。預(yù)留變形量設(shè)置包含μm與μi兩部分，意在使圍巖變形穩(wěn)定后，剛好達(dá)到設(shè)計(jì)輪廓線位置，如此進(jìn)行二襯施工，即節(jié)約材料又能保證襯砌質(zhì)量。

3數(shù)值模擬分析

本模型采用FLAC3D有限差分軟件來進(jìn)行模擬，計(jì)算模型選取隧道兩側(cè)90m的巖體作為研究對(duì)象。模型沿隧道掘進(jìn)方向（y軸方向）取360m，沿巖體深度方向（z軸方向）取160m。采用深埋隧道計(jì)算模型，模型所有面約束法向自由度，如下圖。

（1）計(jì)算基本假定

（a）假定各巖層均勻分布，地層服從摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，不考慮爆破振動(dòng)對(duì)地層變形的影響;（b）初期支護(hù)施做前，地層應(yīng)力釋放率按35%考慮;初期支護(hù)和二襯荷載分擔(dān)比按7：3進(jìn)行計(jì)算;（c）不考慮噴射混凝土齡期對(duì)初期支護(hù)效果的影響;（d）不考慮地下水的影響。

（2）算參數(shù)

（3）計(jì)算結(jié)果分析

由圖3可知，IV級(jí)圍巖開挖后，隧道上下部分圍巖豎向變形較大，且對(duì)稱分布。拱頂變形表現(xiàn)為下沉，最大量值為17.8mm;拱底變形表現(xiàn)為隆起，最大量值為28.2mm。圍巖在水平方向上將產(chǎn)生向洞內(nèi)的水平收斂，主要集中在邊墻位置，最大量值為20.3mm。由圖4可知，Ⅴ級(jí)圍巖開挖后，隧道上下部分圍巖豎向變形較大，且對(duì)稱分布。拱頂變形表現(xiàn)為下沉，最大量值為26.7mm;拱底變形表現(xiàn)為隆起，最大量值為31.8mm。圍巖在水平方向上將產(chǎn)生向洞內(nèi)的水平收斂，主要集中在邊墻位置，最大量值為37.1mm。IV、Ⅴ級(jí)圍巖，變形大致分為3個(gè)階段，第一階段為急速變形階段，隧道開挖1～7天，此時(shí)間段隧道圍巖變形劇烈，拱頂沉降速率較大。第二階段為過渡變形階段，隧道開挖后8～15天左右，此時(shí)間段內(nèi)拱頂下沉速率相對(duì)第一階段明顯減小。第三階段為穩(wěn)定收斂階段。隧道開挖后16天后，由拱頂下沉位移開始趨于收斂，下沉速率近似為零。

4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1圍巖時(shí)程變形曲線分析

本文著重對(duì)隧道周邊收斂和拱頂下沉結(jié)果進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖5、圖6所示。

拱頂下沉和周邊收斂采用非接觸式量測(cè)，采用高精度徠卡全站儀TS09Plus測(cè)量，量測(cè)斷面布置和量測(cè)頻率按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

本文共統(tǒng)計(jì)該隧道IV級(jí)圍巖段9個(gè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，即DK32+314～DK32+384，斷面拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測(cè)曲線如圖7、圖8所示。

由圖7～圖6可知，典型監(jiān)測(cè)斷面變形規(guī)律類似，即隨著時(shí)間的推移，沉降速率和收斂速率逐漸趨于減少，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

從變化曲線來看，洞口段監(jiān)測(cè)段斷面從15d左右沉降速率逐漸降低，隧道圍巖趨于穩(wěn)定。

IV級(jí)圍巖拱頂沉降一般在14mm以內(nèi)，周邊收斂一般在30mm以內(nèi)。V級(jí)圍巖拱頂沉降一般在20mm以內(nèi)，周邊收斂一般在13mm以內(nèi)。

4.2圍巖累計(jì)變形統(tǒng)計(jì)分析

為總體反映某隧道正洞圍巖的變形情況，統(tǒng)計(jì)了自開工以來，正洞Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的累計(jì)變形數(shù)據(jù)，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖分別統(tǒng)計(jì)220個(gè)、183個(gè)量測(cè)斷面，統(tǒng)計(jì)總斷面數(shù)占全隧正洞設(shè)計(jì)斷面數(shù)的95%以上。

依據(jù)以上Ⅳ級(jí)圍巖累計(jì)拱頂沉降和凈空收斂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，15mm以內(nèi)的量測(cè)斷面占總量測(cè)斷面的90%以上，25mm以內(nèi)的量測(cè)斷面占總量測(cè)斷面的95%以上。Ⅳ級(jí)圍巖極個(gè)別量測(cè)斷面拱頂沉降和凈空收斂累計(jì)沉降最大值達(dá)40mm。

依據(jù)以上V級(jí)圍巖累計(jì)拱頂沉降和凈空收斂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，30mm以內(nèi)的量測(cè)斷面占總量測(cè)斷面的75%以上，50mm以內(nèi)的量測(cè)斷面占總量測(cè)斷面的95%以上。V級(jí)圍巖極個(gè)別量測(cè)斷面拱頂沉降和凈空收斂累計(jì)沉降最大值達(dá)60mm。結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)考慮超挖帶來的成本損失，針對(duì)粗面巖、花崗混合巖硬巖IV級(jí)圍巖當(dāng)預(yù)留變形量取40mm較為合適，V級(jí)圍巖當(dāng)預(yù)留變形量取60mm較為合適。

5結(jié)語

本文首先采用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)粗面巖、花崗混合巖硬巖隧道，通過對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：（1）通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)測(cè)拱頂下沉量和邊墻收斂量與有限元結(jié)果基本一致，整體規(guī)律性相似，總體量值較小。（2）同時(shí)考慮位移損失，針對(duì)粗面巖、花崗混合巖硬巖IV級(jí)圍巖當(dāng)預(yù)留變形量取40mm較為合適，V級(jí)圍巖當(dāng)預(yù)留變形量取60mm較為合適。