公路隧道洞口淺埋段初支位移控制基準研究

袁崠洋，彭飛，詹偉，祝詩逸

(浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

目前95%的山嶺隧道采用新奧法施工，監(jiān)控量測作為新奧法的三大支柱之一，通過監(jiān)測信息的反饋既可以及時地掌握隧道穩(wěn)定性狀態(tài)，驗證支護參數(shù)設計的合理性，確保施工安全，又是指導隧道動態(tài)施工的重要手段。隧道洞內位移是監(jiān)控量測中最重要、最具代表性的參數(shù)之一。武科通過監(jiān)控隧道的收斂位移和拱頂下沉量回歸分析，反映隧道的穩(wěn)定狀態(tài)；汪學清利用最小二乘法和nlinfit函數(shù)法對位移量測數(shù)據進行處理，預測了收斂趨于穩(wěn)定的時間和總變形量。由此可見，通過隧道洞內位移值來評判隧道穩(wěn)定性是切實可行的。位移控制基準值的確定，是定量評價隧道穩(wěn)定性以及確定施工管理等級的重要參數(shù)，由初期支護極限位移值來確定。目前關于位移控制基準值的選定，規(guī)范給出了相應的建議值，專家學者們也進行了相關研究，馬士偉針對軟弱圍巖隧道塌方問題，在綜合分析了規(guī)范允許值、類似工程實測值以及所在隧道工程實測值的基礎之上，確定了軟弱圍巖隧道塌方預警基準值；汪波采用室內模型試驗與現(xiàn)場試驗相結合的研究手段，研究了Ⅴ級圍巖隧道洞內位移與埋深、工法、支護之間的關系，給出了施工期位移安全控制基準；陳偉基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據，采用3σ統(tǒng)計法得到了典型公路炭質頁巖隧道變形安全基準值，確定了不同埋深下的圍巖變形分級以及管理基準；王明年依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道群，開展初期支護位移現(xiàn)場監(jiān)控量測，通過對監(jiān)測數(shù)據的分類統(tǒng)計、包絡分析，得到了Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護位移控制基準建議值；周藝對197個位移監(jiān)測斷面變形正常段、發(fā)生異常及險情段位移的統(tǒng)計分析，建立了破碎區(qū)軟巖隧道采用三臺階+預留核心土法時的位移控制基準?，F(xiàn)有研究以隧道極限位移控制基準值研究為主，對隧道變形的空間效應欠缺考慮，其中對于淺埋公路隧道(埋深小于2倍跨徑)洞口研究相對較少。

該文依托杭紹臺高速公路尖山1號隧道，采用理論分析、數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法對隧道洞口淺埋段初期支護位移進行分析，綜合考慮隧道變形的空間效應、埋深因素并結合規(guī)范，給出山嶺隧道洞口淺埋段初期支護位移控制基準建議值。

1 淺埋隧道施工力學特性分析

淺埋隧道由于埋深較淺，受到的開挖擾動較大，相對于深埋隧道圍巖自穩(wěn)較為困難，無法形成平衡拱，開挖時容易發(fā)生貫通至地面的破壞。同時隧道淺埋段常存在軟弱圍巖，巖石強度較低、巖體完整性較差、結構相對松散等現(xiàn)象，由此導致施工難度大、風險高。JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》要求對于淺埋段隧道應采用復合式襯砌，初期支護應選用錨噴支護，并進行適當?shù)某爸ёo。對于淺埋隧道考慮到圍巖條件，為了確保施工安全，初支與圍巖的釋放荷載分擔比宜達到60%～80%，施工過程中要對初支結構進行及時的監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據對支護結構的安全性以及隧道的穩(wěn)定性進行定量評價，以指導隧道的動態(tài)施工。因此，需要設置安全合理的位移控制基準值。

施工期隧道變形具有一定的空間效應，釋放荷載的作用效應與斷面位置、支護施做時機及完工時間有關。一般通過反分析法確定空間效應釋放系數(shù)，可參照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》按圖1近似選取。

圖1 圍巖荷載空間釋放示意圖

由圖1可知：荷載隨著掌子面向前推進逐步釋放；在掌子面處未進行開挖之前已有一部分荷載釋放出，這將導致現(xiàn)場位移監(jiān)測值并非實際位移值，兩者之間存在一定的差值。

隧道開挖前圍巖原始應力由自重應力及水平應力組成：

σ=σg+σt

(1)

式中：σ為圍巖原始應力；σg為自重應力分量；σt為水平應力分量。

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》，對于淺埋隧道自重應力的計算見式(2)：

σg=γH

(2)

式中：γ為隧道上覆圍巖重度；H為隧道埋深。

水平應力的計算見式(3)：

σt=γ(H+Ht/2)tan2(45°-φc/2)

(3)

式中：Ht為隧道開挖高度；φc為圍巖計算摩擦角。

隧道開挖時導致原有的應力平衡破壞，應力得到釋放形成釋放荷載并作用于支護結構上引起相應的位移。釋放荷載大小取決于兩個因素：釋放系數(shù)、原始應力，釋放系數(shù)與原始應力越大，相應釋放荷載也越大。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 依托工程概況

在建杭紹臺高速公路尖山1號隧道為雙向兩車道，屬淺埋單洞隧道，地下水主要為基巖裂隙水，水量貧乏，節(jié)理裂隙發(fā)育。圍巖等級為Ⅴ級，進口段表部為殘坡積含碎石粉質黏土，可塑狀，厚度為0.1～3.1 m，其下為全-強風化凝灰?guī)r，巖體破碎強度低，隧道采用復合式襯砌，初期支護參數(shù)見表1。

表1 隧道初期支護參數(shù)

2.2 模擬計算

(1)計算參數(shù)

隧道圍巖力學參數(shù)見表2。

表2 圍巖力學參數(shù)

對于初期支護，在數(shù)值模擬計算時采用剛度等效原則，將鋼架和鋼筋網折算到混凝土中，計算得到支護結構的各項力學性質見表3。

表3 支護結構力學參數(shù)

(2)計算模型

采用Midas/GTS NX有限元分析軟件進行模擬分析，計算模型見圖2。

圖2 計算模型

此次實際施工采用二臺階法開挖，上下臺階的安全步距為1倍的開挖跨徑，每次開挖進尺為1 m。實際計算機模擬開挖施工步驟為：① 上臺階開挖；② 上臺階錨桿支護；③ 上臺階噴混支護；④ 下臺階開挖；⑤ 下臺階錨桿支護；⑥ 下臺階噴混支護。模型共計12 257個節(jié)點，23 939個單元。

為分析不同埋深處隧道初期支護結構的位移變化情況，選取4個計算斷面：斷面1位于隧道入口處，埋深0.5D，斷面2埋深1D，斷面3埋深1.5D，斷面4埋深2D，D為隧道開挖寬度，模擬分析斷面見圖3。

圖3 模擬分析斷面示意圖

2.3 模擬計算結果分析

模擬得到開挖過程中初支位移變化情況，統(tǒng)計分析得到各監(jiān)測斷面初期支護結構豎向位移值、周邊收斂值，繪制位移-步距曲線見圖4、5。

圖4 模擬初支拱頂位移曲線

圖5 模擬初支周邊位移曲線

由圖4、5可知：隨著監(jiān)測斷面與開挖面之間距離的增加，初支結構拱頂下沉值、周邊收斂值逐漸變大；在0～1D范圍內位移變化較快，在1D～2D范圍內變化速率開始減緩，2D～3D范圍內變化趨于平穩(wěn)，當開挖距離超過3D以后變形基本穩(wěn)定不變，可將開挖距離為4D時的位移值，作為初期支護結構的最終位移值。

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測

由于數(shù)值模擬計算是在一定的理想化假設基礎之上，為真實反映支護結構位移變化情況，在模擬斷面處進行實際的監(jiān)控量測工作。拱頂位移采用反光片進行非接觸式現(xiàn)場觀測，監(jiān)測儀器選用萊卡TM-50全站儀，測試精度為0.01 mm；周邊收斂選用JSS-30A-30型收斂計，測試精度為0.01 mm。初期支護完成后立即進行測點的布設，及時完成初始數(shù)值的采集工作，以后在每次爆破開挖完成后進行相應的監(jiān)測。斷面1～4監(jiān)測結果見圖6、7。

圖6 實測初支拱頂位移曲線

圖7 實測初支周邊位移曲線

對比實測值與模擬計算值可知：實測累計位移值與理論計算值之間存在一定的偏差，主要是因為軟件在進行模擬計算時，荷載以圍巖自重為主未能充分考慮構造應力，同時實際位移影響因素較多，模擬計算時無法全部考慮；實測值小于模擬計算值，這是由于現(xiàn)場監(jiān)測存在一定的滯后性以及與圍巖的荷載釋放效應有關。雖然實測值與理論計算值兩者之間存在一定的偏差，但兩者的變化趨勢規(guī)律相似，均反映出支護結構位移變化的空間效應。

4 位移控制基準建議值研究

對支護結構模擬計算位移、實測位移進行綜合對比分析，計算出不同埋深的監(jiān)測斷面在距掌子面不同距離時的位移值占最終穩(wěn)定位移值的比值，見表4。

表4 初支位移占比

由表4可知：對于不同的監(jiān)測斷面，在距開挖面距離一定時，初支結構位移量占穩(wěn)定位移量的比例各不相同。當隧道埋深H不同時，由式(1)～(3)可知圍巖原始應力σ不同，導致開挖時所形成的釋放荷載不同，進而引起的支護結構位移占比不同；對于同一個監(jiān)測斷面，隨著與開挖面之間距離的增加，初支結構位移量占穩(wěn)定位移量的比例逐漸增加。當隧道埋深H不變時，圍巖原始應力σ為定值，隨著開挖面的推進荷載釋放系數(shù)不斷變化，進而導致釋放荷載的不同，從而引起不同的位移量。因此，支護結構位移控制基準值的制定需同時考慮監(jiān)測斷面的埋深和開挖間距。

根據圍巖荷載的空間釋放效應以及模擬與實測數(shù)值的變化規(guī)律，結合監(jiān)測斷面與掌子面距離的大小，將隧道縱向劃分為0～1D、1D～2D、>2D共3個區(qū)段。根據隧道的埋深，分為0～1D、1D～2D兩個區(qū)段。根據表4選取模擬計算、現(xiàn)場實測兩種分析方式中的占比最大值并進行取整，得出不同埋深、不同開挖距離情況下初期支護位移控制基準建議值，見表5。

表5 淺埋隧道支護結構位移控制基準建議值

5 結論

依托在建杭紹臺高速公路尖山1號隧道，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測相結合的方法，對淺埋隧道初期支護結構位移變化規(guī)律進行研究，得到以下結論：

(1)由于淺埋隧道的特殊工況，為保證施工安全需對初支結構進行位移監(jiān)測。支護結構位移控制基準值是確定工程管理等級，采取應對措施的重要依據，但現(xiàn)有規(guī)范在位移控制基準值選取方面較為模糊，需結合實際情況制定。

(2)隧道開挖時，圍巖的釋放荷載與隧道的埋深以及開挖間距的大小有著密切的關系。釋放荷載的不同，導致作用于支護結構上的荷載不同。

(3)根據分析結果得到了支護結構位移變形的規(guī)律，將隧道埋深分為0～1D、1D～2D區(qū)段，距開挖面距離分為0～1D、1D～2D、>2D共3個區(qū)段，并給出了各個區(qū)段內位移控制基準建議值。