雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在隧道施工中的應(yīng)用與研究

鐘 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

0 引言

隨著隧道工程技術(shù)的進步，深埋長大越嶺隧道不斷出現(xiàn)，同時也出現(xiàn)了很多工程問題。華南地區(qū)山嶺隧道進口段圍巖級別很差，一般都是Ⅴ級圍巖，給施工帶來很大危險。文章以粵湘高速公路博羅至深圳段水澗山隧道為研究背景，隧道左線起訖樁號ZK29+471～ZK32+400，長2 929 m，其中Ⅴ級圍巖94.3 m，Ⅴ級圍巖地段最大埋深18 m，最小埋深14 m。通過對進口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的一段進行研究，并運用FLAC3D有限差分軟件進行模擬分析。

1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的數(shù)值模擬分析

1.1 模型計算范圍的建立

計算范圍:模型上邊界至地表，隧道頂部覆土層厚度按16 m選取，下邊界到隧道底部取為15.65 m，約為2.5D(D為隧道直徑，D=6.35 m)，模型縱向沿隧道軸線長度取為50 m，橫向取至距隧道中線兩側(cè)各4D，這樣整個模型尺寸長為50 m，寬為70 m，高為38 m。選取的模型尺寸足以考慮隧道施工擾動的影響范圍。模型的選取:模擬選取空模型實現(xiàn)土方開挖過程的模擬，巖土體材料采用塑性摩爾—庫侖模型模擬，預(yù)支護、初次襯砌、二次襯砌采用彈性本構(gòu)模型模擬，變形模式采用大應(yīng)變變形模式進行計算。

1.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模型分析

模型的整個部分采用實體單元建模，共劃分173 829個實體單元，142 536個實體單元節(jié)點，如圖1所示。

1.3 計算結(jié)果分析

將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，一方面，可以驗證數(shù)值模擬的正確性;另一方面，通過數(shù)值模擬結(jié)果可以分析隧道開挖過程中拱頂位移與水平位移的變形規(guī)律。

圖1 模型立面圖

由圖2，圖3可知，拱頂最大沉降值為22.123 1 mm，隧道兩幫的水平收斂位移為6.501 2 mm，從豎直沉降位移歷時曲線和水平沉降位移歷時曲線也可以看出，隨著開挖的不斷進行，沉降在不斷的增加(見圖4，圖5)。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法豎直位移云圖

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法水平位移云圖

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法實測數(shù)據(jù)回歸分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)繪出的表格與常用的非線性函數(shù)圖形進行比較，得到指數(shù)模型函數(shù)最適合。對此指數(shù)函數(shù)線性化，方法如下:

式(1)則是式(2)線性化的直線方程，其參數(shù)的確定可按線性回歸的方法確定。通過Excel回歸分析計算后得到:拱頂沉降位移:判定系數(shù):r=0.989 6，截距:lna=3.807 677，則 a=24.961 7;b=1.246 7。得到 u=24.961 7 × e－1.2467/t。ZK29+580 拱頂下沉量測數(shù)據(jù)的處理與回歸分析結(jié)果見表1。

圖4 隧道拱頂處豎直沉降位移數(shù)值模擬時間曲線圖

圖5 隧道兩幫處水平沉降位移數(shù)值模擬時間曲線圖

表1 ZK29+580拱頂下沉量測數(shù)據(jù)的處理與回歸分析

根據(jù)量測數(shù)據(jù)和選取的回歸方程繪制圖6。

圖6 下沉（U）隨時間（T）的變化關(guān)系圖

1)推算出最終下沉值Umax=30.040 3 mm;

2)推算出基本穩(wěn)定時間:初測時間為2010年1月11日，預(yù)計第15天以后，拱頂累計下沉達24.95 mm，下沉率達83.16%≥80%;下沉速度為0.15 mm/d≤0.2 mm/d，故拱頂下沉基本穩(wěn)定。

拱腰水平位移:判定系數(shù):r=0.996 0，截距:lna=1.808 677，則 a=6.098 5;b=1.007 3。得到:u=6.098 5 × e－1.0073/t。ZK29+580兩幫收斂量測數(shù)據(jù)的處理與回歸分析見表2。

根據(jù)量測數(shù)據(jù)和選取的回歸方程繪制圖7。

1)推算出最終收斂值Umax=6.904 0 mm;

表2 ZK29+580兩幫收斂量測數(shù)據(jù)的處理與回歸分析

2)推算出基本穩(wěn)定時間:初測時間為2010年1月24日，預(yù)計第14天以后，周邊收斂累計達6.031 mm，下沉率達87.40%≥80%;下沉速度為 0.03 mm/d≤0.2 mm/d，故圍巖基本穩(wěn)定。

圖7 收斂（U）隨時間（T）的變化關(guān)系圖

通過表1，表2可以得出回歸分析與監(jiān)測數(shù)據(jù)大體相同，但由于回歸方程是基于線性關(guān)系的數(shù)學模型，而具體情況多變，大多是以非線性關(guān)系存在，而回歸方程是將已有監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合成線性函數(shù)方程，因此通過回歸方程得到的數(shù)據(jù)會和現(xiàn)實監(jiān)測存在誤差，只能預(yù)測大概位移變化值。

3 結(jié)語

1)對隧道施工過程中的監(jiān)控量測做了簡要分析，并對選取的典型斷面得到的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)做了回歸分析，得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降和兩幫收斂值的回歸分析結(jié)果分別為30.040 3 mm和6.904 mm;

2)對比分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，得出了模擬值偏小的原因，但是把數(shù)值模擬得到的結(jié)果進行增大，乘以安全系數(shù)1.1～1.2就可以在安全的范圍去指導(dǎo)工程實踐，用來幫助分析施工前對隧道的圍巖穩(wěn)定性以及周圍環(huán)境影響的提前可預(yù)見性。

［1］鄧 江.貓山公路隧道工程技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］楊小永.高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究［D］.西安:長安大學碩士學位論文，2004:101-105.

［3］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［4］王金安，王樹仁，馮錦艷，等.巖土工程數(shù)值計算方法實用教程［M］.北京:科學出版社，2010.