淺埋隧道施工監(jiān)測(cè)與三維有限元仿真模擬

郇 瀾

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054； 2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司,西安 710032)

淺埋隧道由于其埋深較淺,隧道圍巖多風(fēng)化破碎,圍巖受力與圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及變形情況復(fù)雜, 尤其是在埋深淺地形起伏大的丘陵地區(qū),增加了隧道施工變形和穩(wěn)定控制的難度,稍有不慎,就會(huì)造成塌方等安全事故發(fā)生。對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并采用數(shù)值分析方法進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析,能夠較為全面地了解施工過(guò)程中圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,從而認(rèn)識(shí)淺埋隧道施工過(guò)程中變形規(guī)律[1-3]。

以昆侖隧道淺埋破碎圍巖段為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中,圍巖變形監(jiān)測(cè)成果與有限元仿真模擬成果進(jìn)行對(duì)比,得到施工過(guò)程中隧道圍巖位移場(chǎng)變化規(guī)律,從而為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和施工提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆侖隧道位于大埔縣銀江鎮(zhèn)昆侖至大麻鎮(zhèn)岌頭村之間,本隧道為分離式長(zhǎng)隧道,起止樁號(hào)左線zK42+180～zK44+975,長(zhǎng)2 795 m；右線K42+193～K44+998,長(zhǎng)2 805 m。

隧道穿越昆侖山,為丘陵地貌,起伏較大。隧道進(jìn)口位于山體西坡,坡度較緩,基本與等高線正交,山上植被為桉樹(shù)林,覆蓋層較厚,出口位于沖溝南側(cè)山嘴處,山間植被茂密,基本為松樹(shù)、農(nóng)田和灌木。隧址區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖性變化很大,勘察揭露隧址區(qū)內(nèi)存在有較多的斷裂構(gòu)造帶,隧址區(qū)地層上部為第四紀(jì)殘坡積層覆蓋,下伏基巖為侏羅系漳平組(J2zh)砂巖、泥質(zhì)巖以及前泥盆系(AnD)變質(zhì)砂巖、板巖。隧道埋深較淺。隧道開(kāi)挖斷面高度為10.38 m,寬12.92 m。

1.2 施工方法

隧道進(jìn)口Ⅴ級(jí)圍巖采用3臺(tái)階法,施工方法如下：整個(gè)斷面分為3個(gè)臺(tái)階,上臺(tái)階距拱頂5 m,其超前下臺(tái)階6～10 m；下臺(tái)階高3 m,超前仰拱10～12 m,左右幅錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖；仰拱高2.38 m,鋼拱架安裝完成后下先澆50 cm厚混凝土,然后回填片石混凝土至設(shè)計(jì)高度,其初期支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用格柵鋼架H150和鋼筋網(wǎng)外加26 cm厚C25噴射混凝土,上下臺(tái)階格柵鋼架底部均設(shè)置鎖腳錨桿,拱墻布置φ25 mm中注式錨桿,錨桿長(zhǎng)度為3.5 m,間距：環(huán)向1 m,縱向0.75 m。二次襯砌為45 cm厚的C30模筑混凝土。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及斷面布置

隧道施工過(guò)程中圍巖的變形是伴隨開(kāi)挖造成的圍巖應(yīng)力場(chǎng)重分布而發(fā)生的,因此對(duì)圍巖變形的收斂觀測(cè)是洞室開(kāi)挖后圍巖和支護(hù)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)變化的綜合性因素最為直觀的反映,是監(jiān)控量測(cè)主要內(nèi)容[4]。昆侖隧道在施工過(guò)程中采用拱頂下沉、周邊位移收斂2種方法進(jìn)行施工監(jiān)測(cè),具體見(jiàn)表1。斷面的布置見(jiàn)圖1。

表1 昆侖隧道施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖1 昆侖隧道施工監(jiān)測(cè)斷面布置(單位：cm)

圖2 昆侖隧道K42+400斷面水平收斂曲線變化

圖3 昆侖隧道ZK42+370斷面水平收斂曲線變化

圖4 昆侖隧道K42+400斷面拱頂下沉曲線變化

2.2 量測(cè)成果與分析

通過(guò)對(duì)該隧道右線K42+400斷面進(jìn)行為期25 d的觀測(cè)和zK42+370斷面進(jìn)行為期21 d的觀測(cè),得到拱頂下沉與BC測(cè)線周邊收斂的監(jiān)測(cè)成果。

(1)水平收斂(圖2、圖3)

監(jiān)測(cè)開(kāi)始到上臺(tái)階繼續(xù)掘進(jìn)12 m(6 d),隧道水平變形量較大,水平變形量占整個(gè)觀測(cè)期變形量的85%左右。隧道水平變形量經(jīng)過(guò)較大的增長(zhǎng)后,速率減小,說(shuō)明隧道周邊收斂受掌子面掘進(jìn)的影響變小。在監(jiān)測(cè)開(kāi)始到上臺(tái)階繼續(xù)掘進(jìn)20 m(10 d)后,水平位移基本收斂,變化很小,這是因?yàn)樗淼勒谱用嫦蚯熬蜻M(jìn)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面影響不大和此時(shí)仰拱已經(jīng)施做監(jiān)測(cè)斷面封閉成環(huán)。

(2)拱頂沉降(圖4、圖5)

拱頂沉降的監(jiān)測(cè)時(shí)間與周邊水平變形的監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行,且測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面上。開(kāi)挖5 d內(nèi)沉降較快,沉降位移達(dá)到總沉降量的85%,此后沉降逐漸趨于平穩(wěn),經(jīng)過(guò)10 d后,基本穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)該隧道的水平收斂和拱頂沉降進(jìn)行分析表明,隧道掌子面的推進(jìn)和初支的封閉對(duì)圍巖的變形影響較大。

圖5 昆侖隧道ZK42+370斷面拱頂下沉曲線變化

3 隧道施工過(guò)程三維有限元仿真模擬

3.1 模型的建立

在均質(zhì)彈性無(wú)限域中開(kāi)挖圓形洞室,由荷載釋放而引起的周邊介質(zhì)應(yīng)力變化在3倍洞徑范圍之外小于5%而在5倍洞徑之外將小于1%[4-7],考慮工程的需要和有限元離散性及計(jì)算誤差,計(jì)算范圍在水平方向上左右分別取距隧道中心50 m,下邊界取距隧道中心40 m,上邊界取至地面。根據(jù)工程勘察報(bào)告,并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8],選取的地層及初期支護(hù)的參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 模擬施工工序

基于表3隧道2011年3月9日～3月25日開(kāi)挖進(jìn)度,可以指導(dǎo)仿真分析中對(duì)模型的開(kāi)挖進(jìn)度設(shè)置。 根據(jù)圣維南原理模型邊界附近的力場(chǎng)變化對(duì)離這一區(qū)域較遠(yuǎn)處影響很小。因此,在有限元仿真分析中對(duì)模型兩端的開(kāi)挖沒(méi)有嚴(yán)格按照實(shí)際的開(kāi)挖進(jìn)度,而是一次開(kāi)挖10 m,中間過(guò)程按照實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行三維有限元仿真模擬。有限元模擬的施工步驟：第一步為自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算；第二步為開(kāi)挖上臺(tái)階10 m。其他步驟與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工相同,具體見(jiàn)表3。

表2 地層及初期支護(hù)的參數(shù)

表3 2011年3月9日～2011年3月25日隧道施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)在斷面K42+400選取如圖1所示的拱頂沉降和兩幫收斂的測(cè)點(diǎn)為特征點(diǎn),可以計(jì)算出模型中斷面K42+400在不同施工步中的相對(duì)位移情況,這一過(guò)程可將仿真分析得到的拱頂沉降和兩幫收斂的數(shù)據(jù)與實(shí)際量測(cè)值比較,從而找到淺埋公路隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形情況。

從表3可以看出,上臺(tái)階的起始里程為K42+395,在K42+400的上臺(tái)階施工日期是3月11日,那么仿真分析的第五步與實(shí)際開(kāi)始量測(cè)相對(duì)應(yīng)。圖6、圖7中橫坐標(biāo)為3月份的日期。為了更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,將3月11日后的計(jì)算值減去3月11日前的累積變形值,記為換算值,這是因?yàn)樵?月11日前隧道K42+400斷面還沒(méi)有開(kāi)挖,實(shí)測(cè)值無(wú)法測(cè)量,而在仿真模擬中可以算出,該換算值與實(shí)測(cè)值具有可比性。

從圖6可以看出,隧道拱頂下沉的計(jì)算結(jié)果的換算值和實(shí)測(cè)值比較接近。 從圖7可以看出在隧道開(kāi)挖后水平收斂計(jì)算結(jié)果的換算值大于實(shí)測(cè)值。這是因?yàn)橛捎谠诘貞?yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算中,圍巖豎直方向的應(yīng)力基本與隧道圍巖自重產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)比較接近。而水平向應(yīng)力與實(shí)際情況誤差較大,由于大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)圍巖水平向應(yīng)力分布比較復(fù)雜,因此本次計(jì)算中對(duì)模型地應(yīng)力場(chǎng)的簡(jiǎn)化可能是造成隧道水平向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較大的原因之一[9-10]。

圖6 拱頂實(shí)測(cè)沉降值與計(jì)算值對(duì)比

圖7 水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

4 結(jié)論

以昆侖隧道施工監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)隧道施工中的監(jiān)控測(cè)量結(jié)果分析,得到了淺埋隧道施工期間圍巖的變形規(guī)律,并通過(guò)三維仿真分析成果與隧道圍巖位移實(shí)測(cè)值的比較,得到數(shù)值模擬分析得到的施工過(guò)程中隧道圍巖位移場(chǎng)變化規(guī)律基本與實(shí)際相符合。

(1)通過(guò)對(duì)昆侖隧道的水平收斂和拱頂沉降進(jìn)行分析,表明隧道掌子面的推進(jìn)和初支的封閉對(duì)圍巖的變形影響較大,施工時(shí)應(yīng)盡早使仰拱閉合,以減小圍巖的變形量。

(2)通過(guò)對(duì)隧道圍巖位移隨施工工序變化的實(shí)測(cè)值與三維仿真分析得到的計(jì)算值比較,發(fā)現(xiàn)兩者誤差不大,因此可認(rèn)為仿真分析得到淺埋公路隧道施工過(guò)程圍巖位移變化規(guī)律與實(shí)際情況較為接近,可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(3)通過(guò)隧道施工過(guò)程中的位移監(jiān)測(cè)及數(shù)值仿真分析,為隧道施工圍巖穩(wěn)定判斷提供實(shí)測(cè)參量與理論依據(jù),進(jìn)而指導(dǎo)各施工工序開(kāi)展，保證隧道順利貫通。

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