大斷面淺埋隧道圍巖變形規(guī)律及控制措施研究

作者簡(jiǎn)介：

陳 杰（1992—），碩士，工程師，主要從事市政和交通工程檢測(cè)工作。

摘要：文章以某在建三車道高速公路隧道為依托，通過測(cè)量隧道拱頂沉降及周邊位移收斂，并結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證臨時(shí)仰拱對(duì)大斷面淺埋隧道圍巖變形的控制效果。結(jié)果表明：（1）增加臨時(shí)仰拱等支護(hù)措施，可以有效地控制大斷面淺埋隧道的圍巖變形；（2）利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果規(guī)律相吻合，可以利用軟件數(shù)值模擬風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的隧道開挖段，采取效果較好的施工手段控制圍巖變形。

關(guān)鍵詞：隧道工程；圍巖變形；數(shù)值模擬；臨時(shí)仰拱

中圖分類號(hào)：U456.3+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 43 144 4

0 引言

近年來，隨著“西部陸海新通道”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)西部地區(qū)修建了大量的高速公路，其中，大斷面隧道也隨之增多。大斷面隧道比以往兩車道隧道的施工難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，其中最主要的問題是隧道開挖斷面增大帶來的圍巖擾動(dòng)區(qū)的增大，從而導(dǎo)致圍巖變形增大，在施工時(shí)極易坍塌，嚴(yán)重威脅隧道施工和安全［1］。因此，對(duì)大斷面隧道尤其是復(fù)雜地質(zhì)段的淺埋段圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析十分必要，通過優(yōu)化施工方法，可以降低事故的發(fā)生概率。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道圍巖的變形分析及控制措施進(jìn)行了大量深入研究。劉曉杰等［2］通過數(shù)值模擬，對(duì)銀白高速公路黃土隧道的變形規(guī)律進(jìn)行研究，得出隧道大變形的原因是地層條件差、降雨及施工不當(dāng)；李金奎等［3］研究淺埋暗挖法隧道中的臨時(shí)仰拱對(duì)支護(hù)體系的作用機(jī)理，得出臨時(shí)仰拱對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)化作用的結(jié)論；梁裔舉［4］利用FLAC 3D軟件模擬軟弱夾層對(duì)隧道開挖的影響，得出圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變化主要集中在軟弱夾層附近的結(jié)論；張玉偉等［5-6］研究采用臨時(shí)豎向支撐，減小CRD和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的跨度，具有地表和拱頂沉降量小的優(yōu)點(diǎn)。然而，上述研究?jī)H針對(duì)兩車道隧道，且未針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較大的淺埋段落。

因此，本文依托天峨至北海高速公路（巴馬至平果段）光明山隧道淺埋強(qiáng)風(fēng)化圍巖段，采用FLAC 3D軟件對(duì)隧道增加臨時(shí)仰拱前后進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圍巖變形規(guī)律，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

光明山隧道位于廣西平果市坡造鎮(zhèn)那厘屯東北側(cè)約1.5 km處，屬于天峨至北海高速公路（巴馬至平果段）。隧道左洞長(zhǎng)度為1 464 m，屬于長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)型式為三車道分離式隧道，淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖采用交叉中隔壁法開挖。淺埋段地層主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖組成，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差。設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

模型底面取隧道起拱線以下40 m，左右邊界取5～8倍洞徑，以隧道中線為基準(zhǔn)向左右各取50 m，為較好地模擬隧道三維開挖施工過程，數(shù)值模型縱向取80 m。因此，模型的總體尺寸為x×y×z=120 m×80 m×100 m。采用實(shí)體單元zone模擬隧道周邊圍巖及為開挖土體，采用空模型1模擬已開挖空間，shell單元模擬初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及交叉中隔壁法涉及的臨時(shí)支護(hù)，cable單元模擬錨桿。隧道模型如圖2所示。

2.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

本文數(shù)值模擬采用mohr-coulomb本構(gòu)模型，涉及的圍巖力學(xué)參數(shù)取值根據(jù)光明山隧道地質(zhì)勘查報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖確定，圍巖力學(xué)參數(shù)取值見表1。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

模擬設(shè)置3個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2個(gè)周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)仰拱隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖3。

2.4 數(shù)值結(jié)果分析

如圖4所示為未施加臨時(shí)仰拱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移X方向云圖；如圖5所示為施加臨時(shí)仰拱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移X方向云圖。從圖4、圖5可以看出，施加臨時(shí)仰拱斷面X方向位移最大值為8.07 mm，未施加臨時(shí)仰拱X方向位移最大值為36.40 mm。增加臨時(shí)仰拱可以很大程度地降低圍巖橫向位移。

如圖6所示為未施加臨時(shí)仰拱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移Z方向云圖；如圖7所示為施加臨時(shí)仰拱，監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移Z方向云圖。從圖7可以看出Z方向隧道拱頂位移最大值為11.15 mm，隧道底部隆起最大值為14.50 mm；從圖6可以看出Z方向隧道拱頂位移最大值為20.03 mm，隧道底部隆起最大值為31.83 mm。由此可見，增加臨時(shí)仰拱后圍巖縱向位移量降低了50%。

隧道開挖會(huì)破壞原來圍巖與地層之間的應(yīng)力平衡，使巖土體發(fā)生不均勻沉降。因此，研究圍巖開挖后的塑性區(qū)很有必要。如圖8所示為未施加臨時(shí)仰拱斷面塑性區(qū)分布云圖，如下頁(yè)圖9所示為施加臨時(shí)仰拱斷面塑性區(qū)分布云圖。

從圖8可以看出，在隧道拱頂位置出現(xiàn)較大范圍的剪切破壞區(qū)，隧道底部和拱腰處為受壓區(qū)。從下頁(yè)圖9來看，增加臨時(shí)仰拱后，圍巖塑性區(qū)域整體縮小，且整體分布較為均勻。

3 工程實(shí)例分析

3.1 監(jiān)控量測(cè)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和開挖方式，每5 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，拱頂位移與周邊位移布設(shè)在同一斷面。采用徠卡TS09全站儀法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

3.2 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

選取光明山進(jìn)口左洞ZK76+925～ZK76+950淺埋段圍巖中五個(gè)斷面的拱頂和周邊位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，施作臨時(shí)仰拱后的斷面，拱頂和周邊位移累積量比未施作斷面縮小2～3倍，且施作時(shí)間越早，圍巖變形整體控制越好。取左導(dǎo)洞ZK76+935和左導(dǎo)洞ZK76+945拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線和速率時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行對(duì)比分析（如圖11～14所示）。

從圖12可以看出，在監(jiān)測(cè)第15 d施作臨時(shí)仰拱后，拱頂位移速率急劇下降至lt;2 mm/d。從圖14可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)施作臨時(shí)仰拱，整個(gè)監(jiān)測(cè)階段圍巖拱頂位移波動(dòng)變化較小，數(shù)值較為穩(wěn)定。

左導(dǎo)洞ZK76+935斷面和左導(dǎo)洞ZK76+945斷面A～H測(cè)線周邊位移時(shí)態(tài)曲線和速率時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖15～18所示。

從圖16可以看出，在監(jiān)測(cè)第15 d施作臨時(shí)仰拱后，周邊位移速率急劇下降至lt;1 mm/d。從圖18可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)施作臨時(shí)仰拱，整個(gè)監(jiān)測(cè)階段圍巖周邊位移都lt;1 mm/d，波動(dòng)變化較小。

4 結(jié)語

（1）通過FLAC 3D軟件數(shù)值模擬與巴平路光明山隧道實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，臨時(shí)仰拱對(duì)隧道圍巖位移控制具有顯著的效果，能有效減小圍巖拱頂和周邊位移量，可以分散拱底的隆起變形，降低施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（2）大斷面隧道尤其是強(qiáng)風(fēng)化段施工是未來研究的重點(diǎn)，可以采用數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)施工，通過實(shí)際監(jiān)測(cè)反饋優(yōu)化模型，更好地為隧道施工提供安全保障。

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