淺埋引水隧洞支護(hù)后變形控制研究

馮小銳

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,山西 太原 030000）

1 引言

隨著我國(guó)地下空間利用率的大幅提高,隧洞的規(guī)模和里程越來(lái)越長(zhǎng),隧洞形狀、地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜。隧洞在開挖和施工中產(chǎn)生的變形是影響隧洞正常施工和安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。通常隧洞在開挖后需要進(jìn)行支護(hù)。因此,如何科學(xué)地采取支護(hù)措施,是隧洞施工的重點(diǎn)內(nèi)容,也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

鄭軍華等[1]綜合采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了基坑開挖引起盾構(gòu)隧洞位移的控制方法。結(jié)果表明,上方基坑開挖對(duì)下方盾構(gòu)隧洞的影響顯著。綜合采用地基加固、抽條開挖、門式框架、及時(shí)反壓等工程措施可以顯著降低隧道位移。吳登超[2]等基于FLAC3D 數(shù)值模擬研究了隧洞有無(wú)支護(hù)應(yīng)力與位移演化特征。結(jié)果表明,隧洞開挖后,布置支護(hù)比不布置支護(hù)可以顯著減小隧洞圍巖的變形,且布置支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性大幅改善。孫水泉[3]采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了鐵路隧道施工初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化模型,提出了隧道支護(hù)合理選取方式,可為相似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

本文依托某引水隧洞工程實(shí)例,基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究該隧洞初期支護(hù)后位移控制基準(zhǔn)。

2 淺埋隧洞變形的力學(xué)特性

研究區(qū)隧洞為淺埋隧洞,因此本文僅分析淺埋隧洞的力學(xué)特性。通常由于淺埋隧洞的開挖較淺,因此更容易受到開挖擾動(dòng),與深埋隧洞相比,更難形成穩(wěn)定的拱圈。此外,由于淺埋隧洞巖體強(qiáng)度低,完整性差。因此增大了施工風(fēng)險(xiǎn)和施工難度。為了保證隧洞施工的安全性和正常運(yùn)行。隧洞開挖后通常需要進(jìn)行支護(hù),規(guī)范建議隧洞初期支護(hù)采用錨噴支護(hù),并且在開挖和施加支護(hù)的過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以保證施工的安全性。通常根據(jù)對(duì)于給定的位移標(biāo)準(zhǔn)值安全閾值,可對(duì)施工過(guò)程中隧洞的變形進(jìn)行指導(dǎo)。

隧洞開挖后,其變形具有一定的時(shí)效性,變形穩(wěn)定的時(shí)間與支護(hù)方式、開挖方式及支護(hù)時(shí)間有關(guān)。一般可通過(guò)反演法進(jìn)行參數(shù)確定。隧洞開挖前圍巖的原始應(yīng)力主要是重力引起的：

式中：σ為總應(yīng)力,Pa；σs為豎向應(yīng)力,Pa；σh為水平應(yīng)力,Pa。

隧洞開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布,進(jìn)一步導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。其中隧洞開挖釋放的荷載主要取決于初始應(yīng)力和釋放因子的大小。

3 工程概況與數(shù)值模擬

3.1 工程概況

項(xiàng)目為某引水隧洞支線工程,圍巖裂隙發(fā)育完整性差,圍巖等級(jí)為V 級(jí)。地下水的存在形式主要為基巖裂隙水。隧洞主要穿過(guò)的地層為粉質(zhì)黏土和全-強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。其中粉質(zhì)黏土為可塑狀態(tài),最大厚度為3 m。全-強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r巖石強(qiáng)度低。隧洞支護(hù)統(tǒng)一采用復(fù)合襯砌。

3.2 數(shù)值模型和力學(xué)參數(shù)

基于MIDAS/GTS 進(jìn)行建模計(jì)算與分析,建立模型見(jiàn)圖1。模型網(wǎng)格共計(jì)12200 個(gè),節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為23900 個(gè)。模型計(jì)算所需要的隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。其中對(duì)于初期支護(hù)而言,計(jì)算中假定采用等效剛度原則,將剛度折算到混凝土中統(tǒng)一設(shè)置。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌材料力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

本隧洞由于斷面較小,在實(shí)際施工中開挖進(jìn)尺為1 m,鋼拱架間距為1 m。數(shù)值模擬的施工步驟與實(shí)際情況相同：第一步為土方洞挖；第二步為鋼拱架及錨桿支護(hù)；第三步為噴射混凝土支護(hù)。

為詳細(xì)分析開挖過(guò)程中隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,本文選取了4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,其中1#斷面位于隧洞入口,埋深0.5 倍隧洞直徑；2#斷面埋深與隧洞直徑相同；3#斷面埋深為1.5 倍隧洞直徑；4#斷面為1.5 倍隧洞直徑。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3 和圖4 匯總得到數(shù)值模擬計(jì)算隧洞開挖初期支護(hù)的拱頂變形曲線和周邊變形曲線。結(jié)果表明,4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面具有相同的變化規(guī)律。其中拱頂位移曲線和周邊變形曲線均隨掌子面距離的增大而先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。在0~1 倍隧洞直徑時(shí),變形比較快,在1~2倍隧洞直徑時(shí),變形速率有所降低,4倍隧道直徑時(shí),變形基本保持不變,因此實(shí)際工程中可將該變形值作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最終位移。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性,本文選取相同監(jiān)測(cè)斷面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果匯總于圖4 和圖5 中。

圖4 和圖5 結(jié)果表明,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值變形趨勢(shì)完全一致,兩者的相對(duì)誤差在20%以內(nèi),證明數(shù)值模擬的合理性,但數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的差別,主要是由于數(shù)值計(jì)算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力。同時(shí)實(shí)際的隧洞變形受到的影響因素較多,而數(shù)值模擬無(wú)法考慮所有影響因素。但總體來(lái)看,數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果體現(xiàn)出支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng)。

4 位移控制基準(zhǔn)值分析

匯總得到數(shù)值模擬計(jì)算變形和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形進(jìn)行對(duì)比分析,并匯總計(jì)算得到不同埋深斷面的變形占總變形的比值見(jiàn)表3。由表3 可知,當(dāng)距掌子面距離相同時(shí),初期支護(hù)位移所占的比例各不相同,對(duì)于同一斷面而言,隨開挖距離的增大,位移逐漸增大,當(dāng)埋深不變時(shí),隨開挖面距離的增大,變形占比也逐漸增大,這在數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。實(shí)際工程中隧洞開挖變形基準(zhǔn)值要同時(shí)考慮埋深和開挖間距。

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5 結(jié)論

本文依托某淺埋引水隧洞工程,基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）拱頂位移曲線和周邊變形曲線均隨掌子面距離的增大而先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。在0~1 倍隧洞直徑時(shí),變形比較快,在1~2 倍隧道直徑時(shí),變形速率有所降低,大于4 倍隧洞直徑時(shí),變形基本保持不變,因此實(shí)際工程中可將4 倍隧洞直徑對(duì)應(yīng)的變形作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最終位移。

（2）對(duì)于同一斷面而言,隨開挖距離的增大,位移逐漸增大；當(dāng)埋深不變時(shí),隨開挖面距離的增大,變形占比也逐漸增大。實(shí)際工程中隧洞開挖變形基準(zhǔn)值要同時(shí)考慮埋深和開挖間距進(jìn)行確定。