大斷面淺埋隧道圍巖變形規律及控制措施研究

作者簡介：

陳 杰（1992—），碩士，工程師，主要從事市政和交通工程檢測工作。

摘要：文章以某在建三車道高速公路隧道為依托，通過測量隧道拱頂沉降及周邊位移收斂，并結合數值模擬計算，驗證臨時仰拱對大斷面淺埋隧道圍巖變形的控制效果。結果表明：（1）增加臨時仰拱等支護措施，可以有效地控制大斷面淺埋隧道的圍巖變形；（2）利用FLAC 3D軟件進行數值模擬，模擬結果與實際測量結果規律相吻合，可以利用軟件數值模擬風險系數較高的隧道開挖段，采取效果較好的施工手段控制圍巖變形。

關鍵詞：隧道工程；圍巖變形；數值模擬；臨時仰拱

中圖分類號：U456.3+1文獻標識碼：A 43 144 4

0 引言

近年來，隨著“西部陸海新通道”戰略的實施，我國西部地區修建了大量的高速公路，其中，大斷面隧道也隨之增多。大斷面隧道比以往兩車道隧道的施工難度大，施工風險急劇增加，其中最主要的問題是隧道開挖斷面增大帶來的圍巖擾動區的增大，從而導致圍巖變形增大，在施工時極易坍塌，嚴重威脅隧道施工和安全［1］。因此，對大斷面隧道尤其是復雜地質段的淺埋段圍巖穩定性進行分析十分必要，通過優化施工方法，可以降低事故的發生概率。

目前國內外學者針對隧道圍巖的變形分析及控制措施進行了大量深入研究。劉曉杰等［2］通過數值模擬，對銀白高速公路黃土隧道的變形規律進行研究，得出隧道大變形的原因是地層條件差、降雨及施工不當；李金奎等［3］研究淺埋暗挖法隧道中的臨時仰拱對支護體系的作用機理，得出臨時仰拱對隧道支護結構有明顯優化作用的結論；梁裔舉［4］利用FLAC 3D軟件模擬軟弱夾層對隧道開挖的影響，得出圍巖及支護結構應力和位移變化主要集中在軟弱夾層附近的結論；張玉偉等［5-6］研究采用臨時豎向支撐，減小CRD和雙側壁導坑法開挖的跨度，具有地表和拱頂沉降量小的優點。然而，上述研究僅針對兩車道隧道，且未針對風險點較大的淺埋段落。

因此，本文依托天峨至北海高速公路（巴馬至平果段）光明山隧道淺埋強風化圍巖段，采用FLAC 3D軟件對隧道增加臨時仰拱前后進行數值模擬，分析圍巖變形規律，并與實際監測數據進行對比分析。

1 工程概況

光明山隧道位于廣西平果市坡造鎮那厘屯東北側約1.5 km處，屬于天峨至北海高速公路（巴馬至平果段）。隧道左洞長度為1 464 m，屬于長隧道，設計型式為三車道分離式隧道，淺埋段Ⅴ級圍巖采用交叉中隔壁法開挖。淺埋段地層主要由強風化砂巖組成，巖體破碎，節理裂隙發育，圍巖穩定性極差。設計圖如圖1所示。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

模型底面取隧道起拱線以下40 m，左右邊界取5～8倍洞徑，以隧道中線為基準向左右各取50 m，為較好地模擬隧道三維開挖施工過程，數值模型縱向取80 m。因此，模型的總體尺寸為x×y×z=120 m×80 m×100 m。采用實體單元zone模擬隧道周邊圍巖及為開挖土體，采用空模型1模擬已開挖空間，shell單元模擬初期支護結構及交叉中隔壁法涉及的臨時支護，cable單元模擬錨桿。隧道模型如圖2所示。

2.2 圍巖力學參數

本文數值模擬采用mohr-coulomb本構模型，涉及的圍巖力學參數取值根據光明山隧道地質勘查報告及現場實際圍巖確定，圍巖力學參數取值見表1。

2.3 監測點設置

模擬設置3個拱頂沉降監測點，2個周邊收斂監測點，1個仰拱隆起監測點。監測點位置見圖3。

2.4 數值結果分析

如圖4所示為未施加臨時仰拱，監測點橫向位移X方向云圖；如圖5所示為施加臨時仰拱，監測點橫向位移X方向云圖。從圖4、圖5可以看出，施加臨時仰拱斷面X方向位移最大值為8.07 mm，未施加臨時仰拱X方向位移最大值為36.40 mm。增加臨時仰拱可以很大程度地降低圍巖橫向位移。

如圖6所示為未施加臨時仰拱，監測點縱向位移Z方向云圖；如圖7所示為施加臨時仰拱，監測點縱向位移Z方向云圖。從圖7可以看出Z方向隧道拱頂位移最大值為11.15 mm，隧道底部隆起最大值為14.50 mm；從圖6可以看出Z方向隧道拱頂位移最大值為20.03 mm，隧道底部隆起最大值為31.83 mm。由此可見，增加臨時仰拱后圍巖縱向位移量降低了50%。

隧道開挖會破壞原來圍巖與地層之間的應力平衡，使巖土體發生不均勻沉降。因此，研究圍巖開挖后的塑性區很有必要。如圖8所示為未施加臨時仰拱斷面塑性區分布云圖，如下頁圖9所示為施加臨時仰拱斷面塑性區分布云圖。

從圖8可以看出，在隧道拱頂位置出現較大范圍的剪切破壞區，隧道底部和拱腰處為受壓區。從下頁圖9來看，增加臨時仰拱后，圍巖塑性區域整體縮小，且整體分布較為均勻。

3 工程實例分析

3.1 監控量測方案

根據現場地質條件和開挖方式，每5 m布設一個監測斷面，拱頂位移與周邊位移布設在同一斷面。采用徠卡TS09全站儀法進行監測。監測量測測點布置如圖10所示。

3.2 監控量測結果分析

選取光明山進口左洞ZK76+925～ZK76+950淺埋段圍巖中五個斷面的拱頂和周邊位移監測數據進行對比分析，結果見表2。

從表2可以看出，施作臨時仰拱后的斷面，拱頂和周邊位移累積量比未施作斷面縮小2～3倍，且施作時間越早，圍巖變形整體控制越好。取左導洞ZK76+935和左導洞ZK76+945拱頂下沉時態曲線和速率時態曲線進行對比分析（如圖11～14所示）。

從圖12可以看出，在監測第15 d施作臨時仰拱后，拱頂位移速率急劇下降至lt;2 mm/d。從圖14可以看出，監測時施作臨時仰拱，整個監測階段圍巖拱頂位移波動變化較小，數值較為穩定。

左導洞ZK76+935斷面和左導洞ZK76+945斷面A～H測線周邊位移時態曲線和速率時態曲線進行對比分析，如圖15～18所示。

從圖16可以看出，在監測第15 d施作臨時仰拱后，周邊位移速率急劇下降至lt;1 mm/d。從圖18可以看出，監測時施作臨時仰拱，整個監測階段圍巖周邊位移都lt;1 mm/d，波動變化較小。

4 結語

（1）通過FLAC 3D軟件數值模擬與巴平路光明山隧道實際監控量測數據進行對比可知，臨時仰拱對隧道圍巖位移控制具有顯著的效果，能有效減小圍巖拱頂和周邊位移量，可以分散拱底的隆起變形，降低施工坍塌風險。

（2）大斷面隧道尤其是強風化段施工是未來研究的重點，可以采用數值模擬優化設計施工，通過實際監測反饋優化模型，更好地為隧道施工提供安全保障。

參考文獻

［1］李清海.超大斷面隧道初期支護承載力學特性及形變研究［J］.西部交通科技，2021（9）：107-109，122.

［2］劉曉杰，梁國慶，劉傳新，等.富水深埋黃土隧道變形規律及控制措施［J］.隧道地下工程災害防治，2021（2）：23-32.

［3］李金奎，任 恒，楊承源.淺埋暗挖法隧道中臨時仰拱對支護體系的作用機理分析［J］.城市軌道交通研究，2023（12）：17-23.

［4］梁裔舉.基于FLAC 3D的軟弱夾層隧道施工中圍巖穩定性研究［J］.西部交通科技，2023（7）：100-103.

［5］張玉偉，宋戰平，翁效林，等.大厚度黃土地層浸水濕陷對地鐵隧道影響的模型試驗研究［J］.巖土力學與工程學報，2019，38（5）：1 030-1 040.

［6］莫江峰，張文明，韓志攀，等.濕陷性黃土隧道施工及圍巖變形特征分析［J］.建筑結構，2022（S1）：2 923-2 927.