大斷面隧道圍巖變形特性研究

唐 杰

（廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200）

0 引言

黃土廣泛存在于我國西部，隨著西部大開發，基礎設施的建設進入了一個迅速發展的新階段。在山區交通建設過程中，隧道的開挖可以極大地節約里程與人們出行所需要的時間。隨著隧道的斷面面積增大，發生掌子面失衡、地表塌陷等問題的頻率越來越高，因此對隧道圍巖的變形特性的研究和如何保證大斷面隧道圍巖的穩定性便成了很多專家及學者的研究方向。

目前針對大斷面隧道圍巖變形特征的研究方法有模型實驗法、數值仿真研究、檢測數據反饋分析法、人工智能方法、工程地質類比方法、力學解析法等[1]。鑒于此，基于數據反饋分析法，測得橫向及豎向的沉降量和沉降速率，再將現場的土樣進行原狀和擾動后的三軸實驗，得到應力應變關系，基于FLAC3D建模，對隧道在初期支護條件下的開挖過程進行了模擬，得到大斷面隧道圍巖變形特性。

1 現場測試

以往的道路多以單線，雙線為主，隨著我國經濟的飛速發展，物流業的興起，道路趨于多線，隧道的斷面不斷地增大，開挖的難度也在急劇地增加，因此對隧道圍巖變形特性研究，確保隧道變形在規定范圍內也面臨著巨大挑戰。隧道的劃分按照斷面面積標準如表1所示。

表1 隧道斷面劃分標準

該隧道凈空斷面面積為90 m2，屬于大斷面隧道的范圍。

1.1 拱頂下沉

由于大斷面黃土隧道施工難度大，為了實時監控隧道的變形，并保證施工人員的安全及施工順利竣工，該隧道采用三臺階環形開挖法進行施工，并采取復合襯砌結構的支護結構。在隧道的斷面布置12個觀測點，用于測量該隧道的沉降量變化，可以很好地了解隧道開挖后，圍巖經過一次襯砌、二次襯砌后的應力及變形變化，了解襯砌的效果，為簡潔高效的襯砌施工提供依據。

隧道圍巖變形主要表現為拱頂下沉與水平收斂。拱頂下沉隨時間變化曲線如圖1所示。

圖1 拱頂下沉

拱頂的下沉量在16 mm附近，在前2 d，黃土隧道的下沉量較小，無明顯曲線變化，第2～5 d時，可以明顯地看到下沉量的激增[1]，一方面由于前面2 d下沉量的積累，另一方面由于其本身的下沉量，第17 d時，下沉量很小，第22 d幾乎不下沉，符合黃土松散性的特點。

除了拱頂下沉的變形外，還有水平收斂變形，其隨時間變形如圖2所示。

圖2 水平收斂曲線

水平收斂在第5～17 d，日收斂量在增加，之后收斂量降低趨于0，最終的水平收斂量約為3 mm。相較于拱頂下沉的變形而言，黃土隧道的水平收斂量比較小。

伴隨著隧道的開挖，為保證施工人員的安全及保證施工順利竣工，需保證頂部A測點所測量下沉量及下沉速度在規范限度內，因此需要時刻檢測，根據現場數據得到拱頂下沉量隨開挖進度曲線如圖3所示。

圖3 2 m進尺下拱頂沉降量

拱頂的沉降量伴隨著開挖進尺在不斷地增加，當距離測點20～30 m時，沉降量變化最快，說明開挖距離為25 m左右時，對隧道圍巖結構影響最大，最終的拱頂沉降量為51 mm。

1.2 圍巖壓力

因為隧道的開挖，其會影響山體的地表的下沉，影響范圍如圖4所示，地表的下沉量如圖5所示，造成應力重分布，影響隧道圍巖的壓力變化。

圖4 影響范圍

在山體的表面設置11個測點，位置分布如圖4所示，其中測點的距離從左到右分別為：5 m、6 m、3 m、3 m、3 m、3 m、3 m、6 m、5 m，測得影響范圍內的地表下沉量如圖5所示[2]。

圖5 地表下沉

隧道正中間的下沉量是最大的，往兩側去，下沉量在逐漸降低，隨著開挖的進行，下沉量也在增加。

2 室內實驗

對黃土隧道圍巖變形存在影響的因素有：開挖方法、支護結構、施工順序、周邊施工等。因為黃土的大孔隙及質地松軟的特點，造成了黃土隧道的相關理論及技術不夠成熟。將從現場取得的黃土樣品，參數如表2所示，含水量為12.4%，在50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa的圍壓下進行三軸實驗得到的應力應變如圖6、7所示。

圖6 原狀黃土壓力－應變曲線

表2 土樣參數

在隧道的開挖過程中，設備的震動，重力的重分布等會導致黃土結構發生擾動，因此，原狀圖的變形特點與實際有所區別，為了得到與實際情況較為符合的壓力應變關系，將擾動黃土進行三軸實驗得到的應力應變曲線如圖7所示。

圖7 擾動黃土壓力－應變曲線

比較圖6與圖7，擾動后的黃土屈服強度衰減，應力應變在未達到屈服強度前基本上呈現線彈性，達到屈服強度后，黃土結構發生破壞，應力應變曲線斜率變小，圍壓越小，斜率的變化越大。

3 數值模擬

基于FLAC3D，建立隧道的三維數值模型，因為重力重分布的原因，該模型的大小取值為6倍的隧道洞口口徑[3]，并且根據開挖及支護等實際情況進行模擬計算。該模型采取彈性模型，其左右及下部采取限制位移的方法構造邊界，圍巖的初始應力為覆蓋土體的自重應力。

在隧道開挖后，需要進行襯砌施工，為了保證圍巖與襯砌接觸緊密，需要保證地表的沉降在規范限制內，數值模擬得到的地表沉降位移如圖8所示。

圖8 地表沉降位移云圖

由數值模擬的結果可以看出，隧道在初期支護的條件下開挖引起的地表沉降，在隧道中心線的正上方處最大，為11 mm，處于隧道軸線上的沉降量最大，向兩側逐漸降低，趨于穩定，與現場試驗結果相符合。

4 結論

鑒于此，基于數據反饋分析法，測得橫向及豎向的沉降量和沉降速率，再將現場的土樣進行原狀和擾動后的三軸實驗，得到應力應變關系，基于FLAC3D建模，對隧道在初期支護條件下的開挖過程進行了模擬，得到大斷面隧道圍巖變形特性結論如下：

（1）大斷面黃土隧道的變形主要是拱頂下沉。拱頂的下沉量在16 mm左右。

（2）拱頂的沉降量隨著開挖進尺在不斷地增加。當距離測點20～30 m時，沉降量變化最快，沉降速率最大。

（3）隧道的正中間的下沉量是最大的。往兩側去，下沉量逐漸降低，趨于穩定，隨著開挖的進行，影響得下沉量也在增加。

（4）黃土在未達到破壞的時候，應力應變基本上呈現線彈性。應力達到屈服強度后，由于黃土結構的破壞，應力應變曲線斜率在減少。圍壓越小，斜率的變化越大，擾動后的黃土屈服強度衰減。