小凈距隧道淺埋段圍巖監(jiān)測(cè)分析

顏永剛

小凈距隧道淺埋段圍巖監(jiān)測(cè)分析

顏永剛

(吉安市建設(shè)監(jiān)理中心井岡山分站，江西，井岡山 343600)

為了研究隧道淺埋段巖體位移與應(yīng)力動(dòng)態(tài)過(guò)程，針對(duì)小凈距隧道淺埋段的工程特點(diǎn)，對(duì)某隧道的巖體位移、支護(hù)壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在分析了監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)小凈距隧道淺埋段圍巖動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。其研究結(jié)果表明：小凈距隧道淺埋段中夾巖柱巖體總是向開挖側(cè)洞室發(fā)生形變且同一斷面雙線間支護(hù)壓力區(qū)別較大，先行洞支護(hù)壓力較后行洞高。

小凈距隧道；淺埋；數(shù)值分析；圍巖監(jiān)測(cè)

我國(guó)正處于交通設(shè)施建設(shè)的高峰期，交通路線越來(lái)越多地向山區(qū)延伸，為了優(yōu)化線形和節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，隧道的數(shù)量和形式也日益繁多，受地形與地質(zhì)條件的約束，部分隧道不得不縮小雙線隧道凈距，而聯(lián)拱隧道依舊存在著施工復(fù)雜和防排水質(zhì)量難以保證等缺點(diǎn)，所以小凈距隧道就成為了常見(jiàn)的山嶺隧道存在形式，而小凈距隧道的進(jìn)口段圍巖破碎，巖體自穩(wěn)能力差，是隧道施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，所以采用工程實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)小凈距隧道淺埋段圍巖的應(yīng)力和位移動(dòng)態(tài)過(guò)程就顯得尤為重要。

1 圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)圍巖、支護(hù)的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，可以全面的分析圍巖及隧道結(jié)構(gòu)的受力、變形狀況，準(zhǔn)確評(píng)定支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為施工優(yōu)化提供指導(dǎo)，最終達(dá)到安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的目的。

1.1 圍巖體內(nèi)位移監(jiān)測(cè)

考慮到監(jiān)測(cè)圍巖體內(nèi)位移的目的掌握圍巖位移的總體動(dòng)態(tài)特征，采用單點(diǎn)位移計(jì)即可，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定圍巖松弛范圍，在留有一定富余度的基礎(chǔ)上，確定位移計(jì)長(zhǎng)度為4 m，斷面布設(shè)位置如圖1所示。

圖1 巖體內(nèi)位移量測(cè)斷面布置示意圖

1.2 圍巖與支護(hù)間壓力監(jiān)測(cè)

壓力量測(cè)一般采用壓力盒測(cè)量，為了監(jiān)測(cè)小凈距隧道的圍巖應(yīng)力變化過(guò)程并分析左右洞室間的相互影響，特將左右洞壓力盒布設(shè)于同一斷面，斷面布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 支護(hù)壓力量測(cè)斷面布置示意圖

1.3 錨桿軸力監(jiān)測(cè)

錨桿軸力測(cè)試的目的在于通過(guò)錨桿實(shí)測(cè)軸力分析錨桿的真實(shí)受力狀態(tài)，結(jié)合圍巖的物理力學(xué)特征參數(shù)，可以判斷錨桿是否符合施工需要和錨桿參數(shù)優(yōu)化，斷面布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 錨桿軸力量測(cè)斷面布置示意圖

2 數(shù)值仿真建模與分析

2.1 數(shù)值仿真模型

根據(jù)問(wèn)題的需要和實(shí)際工程情況，選取了某隧道典型斷面為原型建立了小凈距隧道洞口段二維計(jì)算模型，該斷面埋深25 m，中夾巖柱厚18.38 m，模型左右邊界取90 m，上邊界取至自由面，下邊界取為隧底26 m，隧道模型的縱向?yàn)閅方向，橫向?yàn)閄方向，豎向?yàn)閆方向。在斷面相應(yīng)位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巖體和結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移。

設(shè)置模型的邊界條件：模型左右邊界（x方向）約束x方向位移；前后邊界（y方向）約束y方向位移；底面約束xyz方向位移，將常年平均水位設(shè)定為自由水面，采用分階段塑性求解法生成模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)。

圖4 初始地應(yīng)力等值云圖

數(shù)值計(jì)算中對(duì)初支及超前支護(hù)采用實(shí)體單元進(jìn)行等效的方法予以考慮，圍巖物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合地質(zhì)勘查資料參照相關(guān)規(guī)范[1-6]，力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)的形成與地應(yīng)力釋放

隧址處受地形切割嚴(yán)重，受構(gòu)造影響不大。另外，隧址處斜坡植被較發(fā)育，隧道區(qū)無(wú)滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)、巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。因此，東高嶺隧道初始應(yīng)力場(chǎng)由重力控制。

采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算時(shí)，通過(guò)對(duì)釋放荷載設(shè)置釋放系數(shù)控制初支與二襯的受力，以使初支與二襯能達(dá)到較為合理的受力狀態(tài)共同承受釋放荷載的作用，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG70-2004）確定釋放荷載分擔(dān)比例為60%：40%。

2.3 數(shù)值仿真步驟

按照實(shí)際施工情況確定四個(gè)數(shù)值計(jì)算步驟，見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值計(jì)算步驟

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了分析左右線間中夾巖柱的動(dòng)態(tài)過(guò)程，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，圖5和圖6分別是左、右洞中夾巖壁側(cè)巖體內(nèi)位移值，由圖可知，當(dāng)左洞洞室開挖后，中夾巖壁巖體整體向左側(cè)位移，當(dāng)右洞開挖后，巖體位移方向又改向右側(cè)。量測(cè)儀器是在第一施工步驟之后埋設(shè)的，所以實(shí)測(cè)值初始值在第二施工步驟，從圖中曲線來(lái)看，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化趨勢(shì)基本一致，只是數(shù)值有一定偏差，這是由量測(cè)技術(shù)的不足和計(jì)算方法造成的。

圖5 左洞中夾巖壁側(cè)圍巖位移曲線圖

圖6 右洞中夾巖壁側(cè)圍巖位移曲線圖

中夾巖壁圍巖與支護(hù)間壓力上升，此后右洞開挖，壓力值有所下降。而右洞作為后行洞圖7和圖8分別是左、右洞中夾巖壁側(cè)圍巖與支護(hù)間壓力值變化曲線，由圖可知，左洞開挖會(huì)引起左洞，圍巖與支護(hù)間壓力不及左洞高。

圖7 左洞中夾巖壁側(cè)支護(hù)壓力曲線圖

圖8 右洞中夾巖壁側(cè)支護(hù)壓力曲線圖

綜上述，小凈距隧道淺埋段中夾巖柱巖體總是向開挖側(cè)洞室發(fā)生形變，同一斷面雙線間支護(hù)壓力區(qū)別較大，先行洞支護(hù)壓力較后行洞高。

4 影響因素分析

對(duì)比不同斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，圍巖壓力和位移動(dòng)態(tài)過(guò)程與巖體質(zhì)量密切相關(guān)，巖體質(zhì)量越高，巖體自穩(wěn)能力越好，圍巖形變與支護(hù)間壓力亦小；不同的施工方法所引起的圍巖形變與位移也不盡相同，全斷面開挖在開挖階段釋放的應(yīng)變能較大，監(jiān)測(cè)到的圍巖形變和壓力較小，分步開挖的擾動(dòng)次數(shù)較多，圍巖相對(duì)破碎，圍巖形變與壓力動(dòng)態(tài)過(guò)程更久。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例，采用工程實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算的技術(shù)手段，研究結(jié)果表明：小凈距隧道淺埋段中夾巖柱巖體總是向開挖側(cè)洞室發(fā)生形變且同一斷面雙線間支護(hù)壓力區(qū)別較大，先行洞支護(hù)壓力較后行洞高。

[1] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院, JTG D70-2004.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社, 2004.

[2] 彭 琦. 淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力機(jī)施工力學(xué)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008.

[3] 靳曉光,劉偉,秦峰,等.高速公路小凈距隧道施工方法探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2004(2):63-68.

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RESEARCH ON MONITORING AND ANALYSIS OF SURROUNDING ROCK DEFORMATION IN TUNNEL SHALLOW SECTION WITH SMALL NET SPAN

YAN Yong-guang

(Ji’an city construction supervision center of Jinggangshan sub-station ，Jinggangshan，Jiangxi 343600，China )

In order to study the displacement and stress dynamic process of shallow-buried section of tunnel rock, we monitor the tunnel rock displacement and the supporting pressure for the engineering characteristics of tunnel shallow section with small net span. Based on the analysis of the monitoring results of the foundation, the simulation and analysis of dynamic process for the tunnel shallow section with small net span are carried out with numerical simulation technology. The research results show that the small spacing tunnel shallow buried section of middle rock wall rock tunnel excavation is always to lateral deformation and has the same cross section between a larger difference between double support pressure, first hole after hole support pressure is high.

small spacing tunnel; shallow; numerical analysis; monitoring of surrounding rock

TH112

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.04.019

1674-8085(2012)04-0081-03

2012-01-18；

2012-05-16

顏永剛(1978-)，男，江西井岡山人，助理工程師，主要從事工程監(jiān)理工作(E-mail: 43376812@qq.com).