隧道變形控制技術(shù)研究

張忠俊

(沈陽(yáng)公路工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110168)

0 引言

隧道開挖和支護(hù)施工改變了其圍巖的受力狀態(tài)，形成松動(dòng)圈，從而產(chǎn)生巖石分離、冒落、坍塌、拱頂下沉、拱頂鼓起和兩幫側(cè)移等［1，2］。高速公路隧道開挖后，由于回彈和應(yīng)力重分布作用使得強(qiáng)度較低的圍巖產(chǎn)生塑性變形，甚至發(fā)生破壞，造成施工不便甚至影響施工安全［3-5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道開挖和支護(hù)施工引起的圍巖進(jìn)行了廣泛的研究。張向東等［6］采用大型非線性有限元分析軟件ADINA對(duì)隧道開挖變形進(jìn)行數(shù)值模擬，建立二維有限元分析模型;采用ADINA自帶的單元生死功能動(dòng)態(tài)模擬開挖支護(hù)過程，對(duì)比全斷面開挖法與上下臺(tái)階法開挖兩種施工方法，分析兩種方法對(duì)隧道圍巖變形的影響。王義國(guó)等［7］基于灰色理論的GM(1，1)模型對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行了短期預(yù)測(cè)。孫元春［8］、Cheng Y M［9］、劉志春等［10］通過總結(jié)分析圍巖變形3階段的特點(diǎn)，結(jié)合隧道量測(cè)剖面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖變形的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行了分析。王樹棟［11］以宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道軟弱圍巖大變形段施工為依托工程，綜合應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，并引入人工智能技術(shù)對(duì)隧道施工期軟弱圍巖段變形機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，上述研究取得了豐富的成果。

本文依據(jù)撫通高速某隧道工程實(shí)例，利用大型有限元分析軟件ADINA，建立2D平面簡(jiǎn)化隧道模型，對(duì)隧道開挖和支護(hù)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，研究隧道開挖和支護(hù)過程引起的拱頂沉降和兩幫側(cè)移規(guī)律，提出采用錨噴聯(lián)合支護(hù)的方法控制隧道變形。將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了支護(hù)后圍巖的變形情況，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 施工技術(shù)

1.1 隧道開挖

1)加強(qiáng)超前支護(hù)工作。

隧道進(jìn)出口等地質(zhì)條件差的地段均應(yīng)采用大管棚注漿加固形式作為超前支護(hù)，管棚孔的外插角應(yīng)以管棚末端不侵入隧道開挖輪廓線為原則，越小越好，一般應(yīng)小于2°。

2)嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺及爆破參數(shù)。

全斷面Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺不宜大于3 m～3.5 m，臺(tái)階分步法開挖Ⅴ級(jí)～Ⅵ級(jí)圍巖進(jìn)尺宜0.5 m～1.0 m，圍巖極差地段施工應(yīng)采取輔助施工措施，各工序安排要緊湊，支護(hù)要及時(shí)，保證安全。

3)開挖質(zhì)量控制。

爆破后的圍巖面應(yīng)圓順平整，無欠挖，圍巖面上無粉碎巖石、明顯的裂縫和浮石。拱部破碎巖、土等Ⅵ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖允許超挖平均不大于100 mm，最大150 mm;邊墻、仰拱、隧底超挖平均不大于100 mm。盡量避免欠挖，當(dāng)圍巖完整、石質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)，容許個(gè)別巖石堅(jiān)硬凸出部分進(jìn)入襯砌，但不得大于5 cm。

1.2 初期支護(hù)

噴錨支護(hù)緊跟。噴錨支護(hù)要嚴(yán)格檢測(cè)超前錨桿和系統(tǒng)錨桿的進(jìn)深長(zhǎng)度、間距，決不允許發(fā)生“長(zhǎng)錨短打”的偷工減料現(xiàn)象。施工時(shí)應(yīng)注意:

1)構(gòu)件應(yīng)架設(shè)在隧道中線方向的垂直面上，各排支護(hù)間應(yīng)縱撐連接牢固，形成整體;2)支護(hù)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)圍巖級(jí)別而定;3)錨桿施工應(yīng)在初噴混凝土后及時(shí)進(jìn)行;4)鋼架應(yīng)垂直隧道中線，左右偏差不超過5 cm，緊貼巖面留有2 cm～3 cm的間隙作為混凝土保護(hù)層，并用縱向鋼筋連接，置于牢固基礎(chǔ)上;5)超前小鋼管、超前錨桿應(yīng)與鋼架支撐配合使用;6)噴射用水泥應(yīng)采用標(biāo)號(hào)不低于32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;速凝劑要求初凝不超過5min，終凝不超過10 min;噴射混凝土終凝2 h后應(yīng)噴射水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 d。

1.3 二次襯砌

二次襯砌混凝土必須具有足夠的強(qiáng)度、耐久性、抗?jié)B性和可靠性。因此應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的配合比設(shè)計(jì)、水灰比、單位用水量及粗骨料尺寸，合理確定混凝土的和易性、坍落度、流動(dòng)性等各項(xiàng)指標(biāo)。不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面、強(qiáng)度不足、施工縫漏水、襯砌表面不平整等質(zhì)量問題。隧道中線、標(biāo)高、斷面尺寸、凈空及襯砌材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格必須符合要求。為保證襯砌不侵入建筑界限，在放樣時(shí)可將設(shè)計(jì)的輪廓擴(kuò)大50 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型及參數(shù)選取

依據(jù)撫通高速某隧道工程實(shí)例，建立2D平面簡(jiǎn)化隧道模型。根據(jù)巖體力學(xué)理論，地下開挖后所引起的擾動(dòng)范圍為開挖空間尺寸的3倍～5倍左右，超過該范圍的巖體受擾動(dòng)影響可以忽略不計(jì)，故模型尺寸取40 m×25 m，其中隧道尺寸為9 m×5 m，見圖1。

圖1 網(wǎng)格模型圖

開挖過程為從右上開始先兩邊后中間對(duì)稱開挖。支護(hù)方式為每挖完一個(gè)面加一層初襯，開挖全部完工之后，統(tǒng)一進(jìn)行二襯支護(hù)。隧道巖體材料采用Mohr-coulomb模型，支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)采用Isotropic Linear Elastic模型，具體參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

圖2和圖3為總位移云圖，圖4和圖5為側(cè)向位移云圖，圖6和圖7為豎向位移云圖。

圖2 無錨桿支護(hù)時(shí)隧道位移云圖

圖3 錨桿支護(hù)時(shí)隧道位移云圖

圖4 無錨桿支護(hù)時(shí)隧道側(cè)向位移云圖

圖5 錨桿支護(hù)時(shí)隧道側(cè)向位移云圖

圖2 和圖3表明，隧道開挖會(huì)引起隧道圍巖壓力重新分布，拱頂下沉、拱底鼓起并伴隨兩幫側(cè)移，減小隧洞尺寸，引起施工不便，甚至發(fā)生事故。單純噴射混凝土的支護(hù)方法并不能阻止隧道圍巖的變形，采用錨噴聯(lián)合支護(hù)會(huì)改變隧道圍巖的受力狀態(tài)，降低圍巖應(yīng)力集中，顯著減小隧道的變形。

圖4和圖5表明，隧道開挖會(huì)引起隧道兩幫的側(cè)移。且側(cè)移分布沿隧道斷面中心線對(duì)稱分布，側(cè)移方向?yàn)閲鷰r指向隧洞。采用錨噴聯(lián)合支護(hù)對(duì)減小隧道兩幫側(cè)移的作用并不明顯。

圖6和圖7表明，隧道開挖會(huì)引起拱頂下沉，拱底鼓起。采用錨噴聯(lián)合支護(hù)會(huì)改變隧道圍巖的受力狀態(tài)，降低圍巖應(yīng)力集中，顯著減小隧道拱頂?shù)呢Q向位移。

為研究隧道開挖變形隨時(shí)間的關(guān)系，在隧道拱頂和兩幫安裝收斂位移計(jì)，監(jiān)測(cè)支護(hù)完成后拱頂和兩幫的位移。并利用有限元分析軟件ADINA進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖8和圖9所示。

圖6 無錨桿支護(hù)時(shí)隧道豎向位移云圖

圖7 錨桿支護(hù)時(shí)隧道豎向位移云圖

圖8 拱頂位移監(jiān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

圖9 兩幫位移監(jiān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

圖8和圖9表明，開挖完成后，支護(hù)初期隧洞拱頂和兩幫位移均變化較快，位移變形顯著，變形速率較高，之后逐漸降低。在支護(hù)后的前28 d拱頂位移達(dá)到總位移(監(jiān)測(cè)81 d的位移)的89%，28 d后變形增速放緩，最終達(dá)到穩(wěn)定。在支護(hù)后的前25 d兩幫位移達(dá)到總位移的89%，25 d后兩幫位移趨于穩(wěn)定，但仍緩慢增加。

3 結(jié)語(yǔ)

1)為確保隧道開挖安全，隧道施工作業(yè)必須堅(jiān)持“短進(jìn)尺，弱爆破，支護(hù)緊跟，勤量測(cè)，早封閉”的原則。在支護(hù)中加強(qiáng)超前支護(hù)工作，嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺及爆破參數(shù)，初期支護(hù)和二次襯砌應(yīng)嚴(yán)格遵守相應(yīng)操作規(guī)程。

2)利用大型有限元分析軟件ADINA對(duì)撫通高速某隧道開挖和支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明:隧道開挖會(huì)引起拱頂下沉、拱底鼓起、兩幫側(cè)移等，嚴(yán)重威脅隧道施工安全。結(jié)合工程實(shí)際，提出采用錨噴支護(hù)的原則，減小了隧道圍巖的變形，保證了施工安全。

3)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的吻合程度，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)比分析結(jié)果表明:開挖完成后，支護(hù)初期隧道拱頂豎向位移和兩幫側(cè)向位移增加較快，變形速率快。支護(hù)后的前25 d～28 d隧道圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定。

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