隧道開挖縱向變形相關(guān)性研究

摘要：本文依托湖北谷竹高速關(guān)埡子隧道，實(shí)施斷面全過程的監(jiān)控量測(cè)，通過對(duì)實(shí)際監(jiān)控的數(shù)據(jù)結(jié)果和數(shù)值分析的數(shù)據(jù)的分析，得出了各斷面在縱向上的變形相關(guān)性，為指導(dǎo)類似工程的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工工藝提供了依據(jù)，為隧道施工過程中有效的利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性判斷，保障施工安全提供了方法。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測(cè) 數(shù)值模擬 縱向變形 相關(guān)性分析

1 概述

隧道新奧法中的關(guān)鍵工序?yàn)樗淼辣O(jiān)控量測(cè)，其質(zhì)量結(jié)果直接影響圍巖與襯砌的穩(wěn)定性、施工安全、施工順序及施工方法，同時(shí)對(duì)安排施工管理具有重要指導(dǎo)作用。

本文依托湖北谷竹高速關(guān)埡子隧道，對(duì)各斷面的拱頂和收斂進(jìn)行了全過程的變化監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)值分析。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，總結(jié)出隧道開挖過程中縱向上的各斷面變形相關(guān)性，對(duì)于指導(dǎo)類似工程的設(shè)計(jì)施工和科研工作具有一定的參考價(jià)值。

2 工程概況

關(guān)埡子隧道設(shè)計(jì)為小凈距隧道，位于湖北省竹溪縣蔣家堰鎮(zhèn)。隧址區(qū)屬風(fēng)化斷裂地貌，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要以西北向和東北向斷裂為主，巖性較差，巖石較破碎，斷裂破碎處含水量較大，。隧道左線起止樁號(hào)為：ZK226+712～ZK227+797，選取ZK227+780～ZK227+453為分析區(qū)段，全長(zhǎng)347m。該區(qū)段圍巖片巖較多，主要為強(qiáng)、弱風(fēng)化片巖。

隧道洞口采用端墻式洞門，出口端前5m設(shè)計(jì)為明洞，明洞頂部回填采用水泥砂漿抹面。明洞襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚度為60cm。暗挖段采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用C20混凝土，二襯采用C25混凝土，仰拱采用C15片石混凝土。洞口施工為關(guān)鍵施工點(diǎn)，為保證施工的安全性和洞口圍巖的穩(wěn)定性，洞口采用超前長(zhǎng)管棚和地面深層攪拌的方法，圍巖采用超前小導(dǎo)管加注漿，Ⅳ級(jí)圍巖采用超前錨桿。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

工程實(shí)踐表明，最能反映圍巖及支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)和安全性能的指標(biāo)是周邊位移和拱頂下沉。我國(guó)的現(xiàn)行規(guī)范也將周邊允許收斂值和允許收斂速度作為圍巖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的判據(jù)[1]。

本文主要研究各橫斷面的拱頂下沉、水平收斂在縱向上的變形相關(guān)性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，共劃分18個(gè)橫斷面（見表1），每個(gè)橫斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)（見圖1）。拱頂下沉的測(cè)量工具為精密水準(zhǔn)儀和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺，水平收斂則使用數(shù)顯收斂計(jì)測(cè)量。

3.2 數(shù)值分析

數(shù)值模擬作為一種先進(jìn)的預(yù)測(cè)施工方案可靠性的方法，已經(jīng)越來越成熟和可靠，本文選用ABAQUS數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬開挖。為合理模擬邊界效應(yīng)，模型長(zhǎng)度取為隧道直徑的10倍，使隧道處于模型的中心[2]。左右邊界同時(shí)施加水平方向約束，底部施加水平和垂直方向的約束（如圖2所示）。模擬單元以四邊形單元為主，在近洞口段的過渡區(qū)域允許出現(xiàn)三角形，從而實(shí)現(xiàn)粗細(xì)網(wǎng)格的合理過渡，以保證精度。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)與分析

為便于分析數(shù)據(jù)和進(jìn)行理論解釋，將以上數(shù)據(jù)繪制成圖4。

由圖4可以看出，在近洞口段，拱頂下沉量發(fā)展較快，實(shí)測(cè)值在7號(hào)斷面已經(jīng)達(dá)到18號(hào)斷面的73.48%，模擬值達(dá)到83.56%。7號(hào)斷面處于Ⅴ、Ⅳ級(jí)巖石的分界面，巖性較差，以破碎片巖為主，而且地下水含量較大，承載能力不足，自穩(wěn)能力較差，整體性較差，因此次區(qū)段內(nèi)拱頂沉降量在重力的作用下隨埋深的增加而增大，發(fā)展較快。之后的斷面由于巖性的改善，掌子面的巖體強(qiáng)度和自穩(wěn)能力增強(qiáng)，變形也趨于穩(wěn)定。這是由于巖性發(fā)生改變，巖石的強(qiáng)度和整體性得到改善，使沉降量發(fā)展緩慢[3]。

水平收斂的變形趨勢(shì)與拱頂沉降規(guī)律大致相反。在近洞口埋深較淺，收斂主要受土體水平側(cè)壓力的影響，所以近洞口段水平收斂較小且發(fā)展緩慢。隨著開挖進(jìn)程，水平側(cè)壓力隨埋深的增大而變大，導(dǎo)致水平收斂值也明顯增加。

由圖可以看出，數(shù)值分析的數(shù)據(jù)曲線能反映出隧道開挖變形在縱向上的變形規(guī)律。因此可以通過數(shù)值分析進(jìn)行施工過程中圍巖以及襯砌的變形規(guī)律和變形量，依此制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，或者作為施工方案設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。同時(shí)鑒于數(shù)值分析的近似性和理想化，不能完全模擬實(shí)際的施工工況，因此，不能單獨(dú)利用數(shù)值分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，必須結(jié)合實(shí)際的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，來評(píng)價(jià)圍巖性能和支護(hù)方案的可靠性[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)合實(shí)際的工程現(xiàn)狀和理論依據(jù)，可以總結(jié)出新奧法施工的隧道縱向上各斷面的變形相關(guān)性。具體表現(xiàn)為：

①在鄰洞口段，影響拱頂下沉的主要因素為埋深，且近洞口段的發(fā)展較快。經(jīng)過近洞口段后，巖石的承載能力成為影響拱頂下沉的主要因素。

②在整個(gè)開挖區(qū)段內(nèi)，理論分析和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果同時(shí)顯示水平收斂變形趨勢(shì)與拱頂沉降規(guī)律大致相反，呈現(xiàn)出先緩后急的趨勢(shì)。

③在隧道開挖過程中，拱頂位移是判斷施工效果和評(píng)價(jià)巖性的關(guān)鍵因素，是反映圍巖力學(xué)狀態(tài)最直觀的數(shù)據(jù)。因此施工中要做好對(duì)拱頂沉降數(shù)據(jù)的處理和分析，充分利用其數(shù)據(jù)做好對(duì)施工方案的調(diào)整，做到信息化施工。

參考文獻(xiàn)：

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