淺埋礦山法隧道聯(lián)合支護(hù)監(jiān)測(cè)及三維數(shù)值模擬分析

趙　磊，王　媛，牛玉龍

(河海大學(xué)　隧道與地下工程研究所，江蘇　南京　210098)

?

淺埋礦山法隧道聯(lián)合支護(hù)監(jiān)測(cè)及三維數(shù)值模擬分析

趙磊，王媛，牛玉龍

(河海大學(xué)隧道與地下工程研究所，江蘇南京210098)

摘要：以某地鐵工程區(qū)間隧道實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行三維開(kāi)挖模擬，在滲流應(yīng)力耦合作用下獲得在軟弱破碎巖體中的隧道沉降及變形隨開(kāi)挖過(guò)程的變化規(guī)律。通過(guò)模擬計(jì)算與實(shí)際情況下的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)引入滲流應(yīng)力耦合的三維模型計(jì)算結(jié)果接近實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況的數(shù)值模擬，可以確定較好的聯(lián)合支護(hù)方案，有效預(yù)估并且控制隧道開(kāi)挖造成的位移變形。

關(guān)鍵詞：隧洞圍巖；穩(wěn)定性分析；滲流應(yīng)力耦合；變形監(jiān)測(cè)；三維數(shù)值模擬

在隧道施工中，穿越軟弱、破碎圍巖等不良地質(zhì)地區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，在很多隧道淺埋段，過(guò)量的沉降會(huì)導(dǎo)致超出規(guī)范中預(yù)留的圍巖變形量，而導(dǎo)致隧道尺寸不滿足設(shè)計(jì)建筑界限。因此在這些地段，通常采用聯(lián)合支護(hù)的方法。王玉寶等通過(guò)對(duì)原型實(shí)驗(yàn)洞不同的開(kāi)挖支護(hù)方式進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了隧洞選取不同支護(hù)類型的設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)據(jù)；寧殿晶等通過(guò)對(duì)阿拉坦隧道的地表與巖體的分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了在不同圍巖類別下確定隧道進(jìn)尺長(zhǎng)度的安全值；鄭俊清等通過(guò)對(duì)兩條小間距短隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為襯砌施做時(shí)間及中間巖柱穩(wěn)定性提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。劉天宇等通過(guò)運(yùn)用FLAC3D對(duì)導(dǎo)管注漿支護(hù)進(jìn)行模擬獲得了解決隧道分步開(kāi)挖時(shí)頂拱產(chǎn)生的急劇變形及圍巖集中應(yīng)力問(wèn)題；張紅等通過(guò)對(duì)濕陷性黃土隧道復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的模擬得出了黃土隧洞圍巖與襯砌的安全系數(shù)參考值。但是之前的模擬大部分僅以二維模擬為主并且并沒(méi)有將滲流應(yīng)力耦合納入考慮，部分模擬開(kāi)挖的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大出入。本文結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)聯(lián)合支護(hù)下的隧道變形及地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用數(shù)值軟件對(duì)存在滲流應(yīng)力耦合情況下的結(jié)果分析，獲得隧道聯(lián)合支護(hù)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1隧道概況與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1.1　隧道概況與聯(lián)合支護(hù)措施

該條隧道為區(qū)間隧道。從盾構(gòu)工作井向北進(jìn)入山體，下穿某水泥廠鐵路專線后出山到達(dá)明挖段，全長(zhǎng)900多米。里程樁號(hào)為右DK42+065.333～DK42+995.000，左DK42+070.967～DK42+995.000。隧道為雙洞單線，馬蹄形斷面，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是地質(zhì)條件較差，不良地質(zhì)體發(fā)育，給掘進(jìn)工作帶來(lái)較大困難。

山體出露的地層巖性主要為周沖村組灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖溶裂隙發(fā)育，地下水補(bǔ)充十足。孔隙裂隙水穩(wěn)定埋深3.1～4.8m，隧道周?chē)鸀閂或IV中強(qiáng)風(fēng)化圍巖，上覆土層為混合土或第四系素填土。

隧道在出山段由于地質(zhì)條件較差，埋深較淺，且隧道上方地表為居民區(qū)，本段隧道均采用錨桿加超前小導(dǎo)管注漿與鋼桁架支護(hù)。其中Φ25中空注漿錨桿L=3m@1m×1m梅花形布置；Φ42超前小導(dǎo)管L=3.5m@0.3m×2m，小導(dǎo)管與隧道縱向呈10°～15°；格柵鋼架采用HRB400-25間距0.5m，中間采用雙層Φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)片，噴射C25、P6混凝土。

1.2　隧道監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)規(guī)范[7-8]編制的檢測(cè)方案采取對(duì)洞周收斂、洞頂下沉、地表下沉、臨近建筑物沉降作為主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

在隧道內(nèi)部，超前支護(hù)打入后，進(jìn)行巖土體開(kāi)挖，然后將拱圈支護(hù)安裝。此時(shí)監(jiān)測(cè)元件被焊接到支護(hù)鋼筋上。隧道內(nèi)部縱向每10m為一個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置1個(gè)拱頂點(diǎn)以及2個(gè)收斂點(diǎn)，在部分沉降較大的地段加密；地表監(jiān)測(cè)沿隧道縱向在DK42+065～DK42+210每10m布置一個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置5～11個(gè)測(cè)點(diǎn)，周邊建筑物測(cè)點(diǎn)布置在其四角、大轉(zhuǎn)角及伸縮縫處。

1.3　監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，選取具有代表性的數(shù)據(jù)，可得到如下結(jié)果：

表1　模型部件物理力學(xué)參數(shù)表

(1)如圖1與圖2所示，測(cè)點(diǎn)在剛剛開(kāi)挖完之后的位移量比較大，一般在20d左右趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生大的位移。

(2)拱頂最終沉降數(shù)據(jù)，在隧道的不良地質(zhì)段，拱頂沉降有多個(gè)點(diǎn)超過(guò)了30mm監(jiān)測(cè)預(yù)警值。拱頂最終沉降量在不良地質(zhì)段均已超出規(guī)范給定的預(yù)留值，所以后期必須對(duì)隧洞部分初期支護(hù)進(jìn)行拆除和重新安裝。

(3)在左DK42+124處初期支護(hù)發(fā)生較大變形，地表塌陷，大量地下水涌入隧洞。其地面與拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測(cè)如圖3所示。

2施工開(kāi)挖分步模擬及結(jié)果分析

2.1　模型基本信息

根據(jù)勘察報(bào)告與設(shè)計(jì)圖紙及之前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取隧道中間KD42+130～KD42+150這不良地質(zhì)段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析軟件采用ABAQUS。分析模型尺寸我們?nèi)?0m×20m×30m隧道圍巖特性按地層性質(zhì)不同，采用不同的彈塑性模型考慮，土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，巖體采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則。錨桿、超前小導(dǎo)管、初期支護(hù)均視為彈性體[10]。圖4為隧道穿越地區(qū)的地層網(wǎng)格計(jì)算模型，圖5為隧道內(nèi)支護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)格計(jì)算模型。

模型側(cè)面與底面施加法向約束邊界，側(cè)面水頭邊界固定在地表以下3m。模型中分步逐漸向前開(kāi)挖會(huì)在隧道內(nèi)部形成新的邊界，因此針對(duì)每個(gè)分析步建立了不同的內(nèi)水頭邊界條件。

2.2　施工步驟模擬

通過(guò)單元生死的功能實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖的模擬，運(yùn)用應(yīng)力衰減實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞開(kāi)挖的控制。衰減量的不同來(lái)表征襯砌在開(kāi)挖后加上的時(shí)間，衰減量越大，加上的時(shí)間越晚，圍巖應(yīng)力釋放越多[11]。軟件中通過(guò)：(1)先形成自重應(yīng)力場(chǎng)和滲流應(yīng)力場(chǎng)；(2)插入左洞第一段超前小導(dǎo)管并注漿加固[12]；(3)左洞第一段上臺(tái)階應(yīng)力衰減；(4)左洞第一段上臺(tái)階襯砌；(5)左洞第一段下臺(tái)階應(yīng)力衰減；(6)左洞第一段下臺(tái)階襯砌；(7)插入左洞第一段內(nèi)的錨桿及第二段的超前小導(dǎo)管并注漿加固；(8)左洞第一段開(kāi)挖移除。每個(gè)開(kāi)挖循環(huán)為1m，重復(fù)第2至第8步，直至左洞開(kāi)挖貫通，再對(duì)右洞進(jìn)行開(kāi)挖，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程共計(jì)320個(gè)施工開(kāi)挖步。

2.3　計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行了四個(gè)工況的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖6～圖9所示。

工況1：不存在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下，應(yīng)力衰減至40%，左洞開(kāi)挖；

工況2：存在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下，應(yīng)力衰減至20%，左洞開(kāi)挖；

工況3：存在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下，應(yīng)力衰減至40%，左洞開(kāi)挖；

工況4：存在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下，應(yīng)力衰減至60%，左洞開(kāi)挖。

圖6～圖9顯示的是在不同工況下，隧道逐漸向前開(kāi)挖時(shí)地表Z=0m處的沿X向的一排點(diǎn)的沉降曲線圖。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著隧道逐步向前開(kāi)挖，地表點(diǎn)會(huì)繼續(xù)發(fā)生沉降。在掌子面與地表點(diǎn)Z軸方向距離5m范圍內(nèi)，開(kāi)挖對(duì)于地表點(diǎn)的沉降影響內(nèi)影響較大，超過(guò)6m后地表沉降影響幅度減小。

通過(guò)之前的計(jì)算結(jié)果可選取5m處地表沉降值作為最終沉降值，并繪制出在不同工況下的地表最終沉降量，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，見(jiàn)圖10。

本段的實(shí)際地表沉降位移量與工況3的結(jié)果最為接近。沒(méi)有滲流作用下的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏離較大，而在有滲流應(yīng)力耦合作用下，應(yīng)力釋放量越大，則沉降越大。實(shí)際情況中，應(yīng)力釋放量與支護(hù)時(shí)間相關(guān)，釋放量越大，表明支護(hù)的時(shí)間越晚，前期的應(yīng)力釋放主要由隧洞圍巖承擔(dān)。工況2應(yīng)力衰減幅度較大情況下計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值有較大偏差，這說(shuō)明實(shí)際工程中一般在不良地質(zhì)段都會(huì)通過(guò)快速支護(hù)來(lái)防止隧道發(fā)生更大變形，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用接近實(shí)際情況的應(yīng)力衰減參數(shù)。與此同時(shí)，在城市隧道開(kāi)挖過(guò)程中如果圍巖性質(zhì)較差，不能通過(guò)采用發(fā)揮圍巖承載力來(lái)減少隧道襯砌變形的方法。邊開(kāi)挖邊支護(hù)，盡量縮短開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程時(shí)間能有效減少隧道變形。由于在本地區(qū)地下水位較高，隧道開(kāi)挖后的水利梯度較大，沒(méi)有滲流應(yīng)力耦合的計(jì)算結(jié)果(工況1)同相同衰減量下的有滲流應(yīng)力耦合的計(jì)算結(jié)果(工況2～工況4)相比只有其結(jié)果的1/3，地下水滲流對(duì)于隧道開(kāi)挖穩(wěn)定的影響非常大，運(yùn)用數(shù)值方法計(jì)算模型時(shí)滲流的作用不可忽視。

圖11反映的是隧洞內(nèi)部不同工況下隨著隧道開(kāi)挖掌子面的位移規(guī)律。隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的超前小導(dǎo)管的變形圖見(jiàn)圖12～圖15。

在圖12～圖15中對(duì)比工況1與另外三個(gè)工況，開(kāi)挖完成之后的掌子面在有滲流應(yīng)力耦合的狀況下，開(kāi)挖出的臨空面形成一個(gè)新的滲流邊界，導(dǎo)致了這種隆起尤為明顯,如圖11所示。掌子面隆起后，這種狀況下的掌子面后的圍巖由于向掌子面這個(gè)臨空面擠出，所以該處附近土體發(fā)生了應(yīng)力松弛。此時(shí)打入的超前小導(dǎo)管與超前注漿阻止了相應(yīng)變形的繼續(xù)發(fā)展。由圖12～圖15所示，此時(shí)打入的小導(dǎo)管發(fā)生了相同趨勢(shì)的變形。掌子面變形越大的工況(工況2)相應(yīng)的超前小導(dǎo)管變形也越多，這也說(shuō)明了小導(dǎo)管對(duì)于維持隧道穩(wěn)定起了相當(dāng)積極的作用。

3結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)引入滲流應(yīng)力耦合的三維模型計(jì)算結(jié)果接近實(shí)測(cè)結(jié)果，三維數(shù)值模擬可以通過(guò)模擬分步開(kāi)挖，從而獲得較為接近與可控的實(shí)際結(jié)果。施工設(shè)計(jì)前通過(guò)結(jié)合實(shí)際情況的數(shù)值模擬，可以確定較好的聯(lián)合支護(hù)方案，有效預(yù)估并且控制隧道開(kāi)挖造成位移變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]TB10003-2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范．

[2]王于寶，王曉衛(wèi)，顏新榮，等．大坂引水隧洞工程變形監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(20)：3783-3787.

[3]寧殿晶.淺埋隧道開(kāi)挖洞頂巖體沉降監(jiān)測(cè)及規(guī)律研究.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[4]鄭俊清.復(fù)雜地質(zhì)條件小凈距短隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析及數(shù)值模擬研究.杭州：浙江大學(xué)，2011.

[5]劉天宇.超前小導(dǎo)管在隧道工程中的應(yīng)用及數(shù)值模擬.土工，2013，27(2)：67-70.

[6]張紅，鄭穎人.黃土隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討.巖土力學(xué)，2009，30(2)：473-478.

[7]GB50308-2008，城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范.

[8]DB11/490-2007，地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程.

[9]佘健，何川.軟弱圍巖段隧道施工過(guò)程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3)：623-629.

[10]陳衛(wèi)忠，伍國(guó)軍，賈善坡.Abaqus在隧道工程中的應(yīng)用.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[11]費(fèi)康，張建偉.abaqus在巖土工程中的應(yīng)用.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[12]孔恒.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預(yù)加固機(jī)理及其應(yīng)用研究.北京：北京交通大學(xué)，2003.

[13]余熠.淺埋大斷面隧道核心土數(shù)值模擬與分析.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，31(3)：35-38.

[14]王鐵男，郝哲，楊青潮.超前小導(dǎo)管注漿布置范圍對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖的影響分析.公路，2011(5)：54-58.

[15]陳秋南，趙明華，周?chē)?guó)華，等.復(fù)雜層狀巖層隧道塌方原因分析與加固后信息化施工技術(shù).巖土力學(xué)，2009，30(3)：650-653.

[16]費(fèi)康，張建偉.Abaqus在巖土工程中的應(yīng)用.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[17]孔恒.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預(yù)加固機(jī)理及其應(yīng)用研究.北京：北京交通大學(xué)，2003.

(特約編輯李軍)

Combinedsupportmonitoringofashallowtunnelexcavationand

3Dnumericalsimulationanalysis

Zhaolei，Wangyuan，Niuyu-long

(TunnelandUndergroundengineeringInstitute，HohaiUniversity，

JiangsuNanjing210098，China)

Abstract：BasedontheactualmonitoringdataofametrotunnelandCombinedwiththeactualsituationinthefieldofthree-dimensionalexcavationsimulation，we’dliketoexplorethevariationoftunnelsettlementanddeformationinweakrockmasswiththecouplingofseepagestress.Throughthesimulationcalculationandtheactualcircumstancesoftheresults,todeterminethesupportingeffectofcombinedsupportingmethodinthesurroundingrockbreakingandgroundwaterseepage.Sowecanensurethesafetyoftunnelexcavationandsavetheexcavationperiodtomakeaneffectiveassessment.

Keywords：tunnelsurroundingrock;stabilityanalysis;seepagestresscoupling;deformationmonitoring;3dnumericalsimulation

中圖分類號(hào)：TU93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0019-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.005

作者簡(jiǎn)介：趙磊(1991-)，男，安徽宣城人，碩士，主要從事巖土工程數(shù)值模擬等領(lǐng)域的科研工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51179060)

收稿日期：2015-09-17