煙臺五卒山大跨隧道圍巖變形預測分析

李光凱 劉志龍

(煙臺市公路管理局，山東煙臺 264001)

隧道施工的新奧法原則中，監(jiān)控量測是隧道設計和施工過程中必不可少的一項工作。為了掌握施工中圍巖的穩(wěn)定程度與支護受力、變形的力學動態(tài)和信息，以判斷設計、施工的安全性與經(jīng)濟性，隧道開挖后應按照設計要求和現(xiàn)場實際情況立即布點并進行監(jiān)測，及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)和意見建議提交給設計、施工等單位，從而達到反饋設計、指導施工的目的。本文將根據(jù)煙臺五卒山隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，確定圍巖最終位移量，并根據(jù)圍巖最終位移量分析隧道初期支護強度合理與否［1-3，5］。

1 隧道圍巖最終位移量

1.1 最終位移量確定方法

圍巖最終位移量判斷是一項重要但非常復雜的工作，需要結合具體工程情況，根據(jù)所測得的位移量，通過回歸分析得到圍巖的最終位移量。回歸分析是指利用數(shù)理統(tǒng)計原理，對大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，并確定因變量與自變量之間的相關關系，建立一個相關性較好的回歸方程，并加以外推，用于推測自變量其他取值條件下因變量值。最小二乘法是回歸分析中經(jīng)常采用的方法。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)。本研究通過最小二乘法獲得圍巖最終位移量。

考慮到拱頂沉降—時間和收斂—時間關系，選取指數(shù)函數(shù)y=a·(1－e－bt)進行擬合，其中，y為拱頂沉降量或收斂量;t為時間;a，b均為參數(shù)。該函數(shù)滿足t=0時，y=0;t=∞時，y=a。因此，參數(shù)a為最終沉降量或最終收斂量。

1.2 最終拱頂沉降量

選擇左洞典型斷面 ZK8+354.5，ZK8+339，ZK8+326，ZK8+315拱頂沉降—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖，如圖1～圖4所示。從圖中可以看到:1)各斷面拱頂沉降趨于穩(wěn)定;2)所選函數(shù)能較好地反映拱頂沉降—時間關系。

1.3 最終凈空收斂

圖5～圖8為左洞開挖過程中各斷面的收斂—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖。從圖中可以看出各斷面收斂曲線趨于穩(wěn)定，且所選模型較好地反映了圍巖收斂發(fā)展趨勢。

圖1 斷面ZK8+354.5拱頂沉降—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

圖2 斷面ZK8+339拱頂沉降—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

圖3 斷面ZK8+326拱頂沉降—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

圖4 斷面ZK8+315拱頂沉降—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

2 隧道圍巖穩(wěn)定性判據(jù)及分析

2.1 允許相對位移值

圍巖拱頂下沉、水平收斂監(jiān)控量測數(shù)據(jù)是指導隧道動態(tài)設計、施工的重要依據(jù)。根據(jù)研究區(qū)間隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析和推測最終變形量，作為反饋計算的依據(jù);評估隧道圍巖和支護結構穩(wěn)定性。表1為隧道周邊位移控制標準［6］。表中給出了不同級別圍巖在不同覆蓋層厚度條件下周邊允許相對位移值。

圖5 斷面ZK8+357上導坑收斂—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

圖6 斷面ZK8+339上導坑收斂—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

圖7 斷面ZK8+315上導坑收斂—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

2.2 五卒山隧道圍巖穩(wěn)定分析

1)拱頂沉降量分析。五卒山隧道修建于塑性較大的Ⅳ級圍巖中，根據(jù)表1，隧道允許相對位移值取為0.3% ～0.5%。隧道凈空為15.6 m，因此允許拱頂沉降為46.8 mm～78 mm。隧道拱頂沉降量范圍為26.2 mm～37.4 mm，其變形儲備系數(shù)為1.25 ～2.97，說明該初期支護狀態(tài)下圍巖拱頂沉降滿足規(guī)范要求。

圖8 斷面ZK8+300上導坑收斂—時間監(jiān)測曲線和擬合曲線對比圖

表1 周邊位移控制標準——周邊允許相對位移值 %

2)收斂變形分析。五卒山隧道修建于塑性較大的Ⅳ級圍巖中，根據(jù)表1，隧道允許相對位移值取為0.3% ～0.5%。隧道凈空為15.6 m，因此允許拱頂沉降為46.8 mm～78 mm。隧道收斂變形范圍為37 mm ～44.6 mm，其變形儲備系數(shù)為 1.04～2.1，說明初支支護狀態(tài)下圍巖收斂變形滿足規(guī)范要求。

3 結語

1)各斷面拱頂沉降和凈空收斂均處于或趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所選模型較好反映隧道圍巖變形趨勢。

2)各斷面的最終拱頂沉降量在26.2 mm～37.4 mm之間，各斷面的最終收斂量在37 mm～44.6 mm之間，均小于《公路隧道施工技術規(guī)范》中規(guī)定的允許變形量。

［1］申玉生，趙玉光.偏壓連拱隧道圍巖變形的現(xiàn)場監(jiān)測與分析研究［J］.公路，2005(4):194-198.

［2］祝文化，明 峰.淺埋偏壓隧道施工數(shù)值模擬與量測分析［J］.公路，2010(3):197-200.

［3］李 力.三臺階法與CRD法對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究［J］.公路工程，2012，37(6):138-142.

［4］趙志杰.隧道監(jiān)控量測的現(xiàn)場應用［J］.山西建筑，2012，38(6):204-205.

［5］肖林萍，李永樹.雙連拱隧道圍巖位移數(shù)值分析研究［J］.測繪科學，2009，34(1):212-214.

［6］JTG D70-2004，公路隧道設計規(guī)范［S］.