淺埋隧道施工監測與三維有限元仿真模擬

郇 瀾

(1.西安科技大學，西安 710054； 2.中鐵二十局集團有限公司,西安 710032)

淺埋隧道由于其埋深較淺,隧道圍巖多風化破碎,圍巖受力與圍巖和支護結構應力分布及變形情況復雜, 尤其是在埋深淺地形起伏大的丘陵地區,增加了隧道施工變形和穩定控制的難度,稍有不慎,就會造成塌方等安全事故發生。對隧道施工過程進行動態監測并采用數值分析方法進行施工過程仿真分析,能夠較為全面地了解施工過程中圍巖變形和支護結構的應力應變規律,從而認識淺埋隧道施工過程中變形規律[1-3]。

以昆侖隧道淺埋破碎圍巖段為研究對象,通過對隧道開挖掘進過程中,圍巖變形監測成果與有限元仿真模擬成果進行對比,得到施工過程中隧道圍巖位移場變化規律,從而為現場監控和施工提供依據。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆侖隧道位于大埔縣銀江鎮昆侖至大麻鎮岌頭村之間,本隧道為分離式長隧道,起止樁號左線zK42+180～zK44+975,長2 795 m；右線K42+193～K44+998,長2 805 m。

隧道穿越昆侖山,為丘陵地貌,起伏較大。隧道進口位于山體西坡,坡度較緩,基本與等高線正交,山上植被為桉樹林,覆蓋層較厚,出口位于沖溝南側山嘴處,山間植被茂密,基本為松樹、農田和灌木。隧址區內地層結構較為復雜,地質構造復雜,巖性變化很大,勘察揭露隧址區內存在有較多的斷裂構造帶,隧址區地層上部為第四紀殘坡積層覆蓋,下伏基巖為侏羅系漳平組(J2zh)砂巖、泥質巖以及前泥盆系(AnD)變質砂巖、板巖。隧道埋深較淺。隧道開挖斷面高度為10.38 m,寬12.92 m。

1.2 施工方法

隧道進口Ⅴ級圍巖采用3臺階法,施工方法如下：整個斷面分為3個臺階,上臺階距拱頂5 m,其超前下臺階6～10 m；下臺階高3 m,超前仰拱10～12 m,左右幅錯開開挖；仰拱高2.38 m,鋼拱架安裝完成后下先澆50 cm厚混凝土,然后回填片石混凝土至設計高度,其初期支護結構均采用格柵鋼架H150和鋼筋網外加26 cm厚C25噴射混凝土,上下臺階格柵鋼架底部均設置鎖腳錨桿,拱墻布置φ25 mm中注式錨桿,錨桿長度為3.5 m,間距：環向1 m,縱向0.75 m。二次襯砌為45 cm厚的C30模筑混凝土。

2 現場監控量測

2.1 監測項目及斷面布置

隧道施工過程中圍巖的變形是伴隨開挖造成的圍巖應力場重分布而發生的,因此對圍巖變形的收斂觀測是洞室開挖后圍巖和支護各項動態變化的綜合性因素最為直觀的反映,是監控量測主要內容[4]。昆侖隧道在施工過程中采用拱頂下沉、周邊位移收斂2種方法進行施工監測,具體見表1。斷面的布置見圖1。

表1 昆侖隧道施工監測項目

圖1 昆侖隧道施工監測斷面布置(單位：cm)

圖2 昆侖隧道K42+400斷面水平收斂曲線變化

圖3 昆侖隧道ZK42+370斷面水平收斂曲線變化

圖4 昆侖隧道K42+400斷面拱頂下沉曲線變化

2.2 量測成果與分析

通過對該隧道右線K42+400斷面進行為期25 d的觀測和zK42+370斷面進行為期21 d的觀測,得到拱頂下沉與BC測線周邊收斂的監測成果。

(1)水平收斂(圖2、圖3)

監測開始到上臺階繼續掘進12 m(6 d),隧道水平變形量較大,水平變形量占整個觀測期變形量的85%左右。隧道水平變形量經過較大的增長后,速率減小,說明隧道周邊收斂受掌子面掘進的影響變小。在監測開始到上臺階繼續掘進20 m(10 d)后,水平位移基本收斂,變化很小,這是因為隧道掌子面向前掘進對監測斷面影響不大和此時仰拱已經施做監測斷面封閉成環。

(2)拱頂沉降(圖4、圖5)

拱頂沉降的監測時間與周邊水平變形的監測同時進行,且測點布置在同一斷面上。開挖5 d內沉降較快,沉降位移達到總沉降量的85%,此后沉降逐漸趨于平穩,經過10 d后,基本穩定。

通過對該隧道的水平收斂和拱頂沉降進行分析表明,隧道掌子面的推進和初支的封閉對圍巖的變形影響較大。

圖5 昆侖隧道ZK42+370斷面拱頂下沉曲線變化

3 隧道施工過程三維有限元仿真模擬

3.1 模型的建立

在均質彈性無限域中開挖圓形洞室,由荷載釋放而引起的周邊介質應力變化在3倍洞徑范圍之外小于5%而在5倍洞徑之外將小于1%[4-7],考慮工程的需要和有限元離散性及計算誤差,計算范圍在水平方向上左右分別取距隧道中心50 m,下邊界取距隧道中心40 m,上邊界取至地面。根據工程勘察報告,并結合《公路隧道設計規范》[8],選取的地層及初期支護的參數見表2。

3.2 模擬施工工序

基于表3隧道2011年3月9日～3月25日開挖進度,可以指導仿真分析中對模型的開挖進度設置。 根據圣維南原理模型邊界附近的力場變化對離這一區域較遠處影響很小。因此,在有限元仿真分析中對模型兩端的開挖沒有嚴格按照實際的開挖進度,而是一次開挖10 m,中間過程按照實際施工過程進行三維有限元仿真模擬。有限元模擬的施工步驟：第一步為自重應力場計算；第二步為開挖上臺階10 m。其他步驟與現場實際施工相同,具體見表3。

表2 地層及初期支護的參數

表3 2011年3月9日～2011年3月25日隧道施工進度統計

3.3 計算結果分析

通過在斷面K42+400選取如圖1所示的拱頂沉降和兩幫收斂的測點為特征點,可以計算出模型中斷面K42+400在不同施工步中的相對位移情況,這一過程可將仿真分析得到的拱頂沉降和兩幫收斂的數據與實際量測值比較,從而找到淺埋公路隧道在開挖過程中的圍巖變形情況。

從表3可以看出,上臺階的起始里程為K42+395,在K42+400的上臺階施工日期是3月11日,那么仿真分析的第五步與實際開始量測相對應。圖6、圖7中橫坐標為3月份的日期。為了更接近現場實際施工情況,將3月11日后的計算值減去3月11日前的累積變形值,記為換算值,這是因為在3月11日前隧道K42+400斷面還沒有開挖,實測值無法測量,而在仿真模擬中可以算出,該換算值與實測值具有可比性。

從圖6可以看出,隧道拱頂下沉的計算結果的換算值和實測值比較接近。 從圖7可以看出在隧道開挖后水平收斂計算結果的換算值大于實測值。這是因為由于在地應力場的模擬計算中,圍巖豎直方向的應力基本與隧道圍巖自重產生的應力場比較接近。而水平向應力與實際情況誤差較大,由于大地構造運動圍巖水平向應力分布比較復雜,因此本次計算中對模型地應力場的簡化可能是造成隧道水平向位移計算值與實測值較大的原因之一[9-10]。

圖6 拱頂實測沉降值與計算值對比

圖7 水平位移實測值與計算值對比

4 結論

以昆侖隧道施工監測為研究對象,通過對隧道施工中的監控測量結果分析,得到了淺埋隧道施工期間圍巖的變形規律,并通過三維仿真分析成果與隧道圍巖位移實測值的比較,得到數值模擬分析得到的施工過程中隧道圍巖位移場變化規律基本與實際相符合。

(1)通過對昆侖隧道的水平收斂和拱頂沉降進行分析,表明隧道掌子面的推進和初支的封閉對圍巖的變形影響較大,施工時應盡早使仰拱閉合,以減小圍巖的變形量。

(2)通過對隧道圍巖位移隨施工工序變化的實測值與三維仿真分析得到的計算值比較,發現兩者誤差不大,因此可認為仿真分析得到淺埋公路隧道施工過程圍巖位移變化規律與實際情況較為接近,可以用于指導現場施工。

(3)通過隧道施工過程中的位移監測及數值仿真分析,為隧道施工圍巖穩定判斷提供實測參量與理論依據,進而指導各施工工序開展，保證隧道順利貫通。

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