軟巖隧道掌子面擠出與拱頂沉降變形相關性

朱得華，梁 斌，李治國

(1.河南科技大學規劃與建筑工程學院，河南洛陽471023;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽471009)

0 引言

隧道開挖介質相對于隧道開挖行為的變形反應是每名隧道設計人員必須關注的首要問題，這是因為與其他因素相比，隧道開挖介質相對于隧道開挖行為的變形反應預示著是否能夠引發成拱效應以及成拱效應的位置，換句話講，也決定了隧道所能達到的穩定等級。通過研究發現:變形反應從掌子面前方的超前核心土開始，隨之逐步沿隧道向后發展;而且變形不僅包括收斂變形，而是由擠出變形、預收斂及收斂變形組成。隧道掌子面和超前核心土體系的變形反應與隧道變形之間有直接聯系，而且前者是因后者是果。從而強調監控掌子面～超前核心土體系變形反應的重要性，而不是只監控隧道自身的變形，對于這方面的研究，國外已經取得了一定的成果[1-5］。針對隧道變形方面，國內也有一些相關研究。文獻[6］研究了長大隧道軟弱圍巖段施工大變形的預測方法，運用BP神經網絡和遺傳算法進行長大隧道軟巖段施工大變形預測;文獻[7-9］通過隧道收斂和圍巖內部位移的現場監測、理論分析，對隧道的變形進行了系統研究。新意法把超前核心土視作一種新的隧道長期和短期穩定工具:超前核心土的強度及對變形的敏感性在隧道施工中起決定性作用，同時也決定了掌子面到達時隧道的變形特性。

掌子面擠出變形是開挖介質對隧道開挖產生的變形反應的主要表現形式，主要發生在超前核心土內;擠出變形的大小取決于超前核心土的強度、變形特性及其所處的原始應力場;擠出變形發生在隧道掌子面的表面，沿隧道水平軸線方向發展，其幾何形狀大概呈軸對稱(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋狀突出[10-12］。

近年來為了能夠大幅度提高隧道施工機械化的水平，使隧道施工安全、經濟、快速高效，現在大斷面隧道的施工逐步趨向于采用全斷面法或全斷面短臺階法。

本文依托于某軟巖鐵路隧道，該隧道采取了一定的超前預加固措施，實現了大斷面施工，筆者主要研究了在施工期間，掌子面封閉后，施做跟進仰拱期間，考慮空間效應的圍巖變形情況，并建立了數值計算模型，分析了施做仰拱期間掌子面擠出變形的變化規律，研究掌子面擠出變形與拱頂沉降變形之間聯系，為以后類似工程的掌子面變形分析提供參考。

1 工程概況

1.1 工程水文地質

隧道穿行于黃河高階地下部，主要涉及的地層為:第4系砂質黃土，風積砂質黃土，沖積卵石土，粗圓礫及細圓礫土。全隧道設計圍巖為Ⅴ級。開挖揭示進出口及各斜井地層主要為粗細圓礫土、卵石土及遇水未成巖粉細砂，隨后將隧道正洞未施工地段圍巖級別調整為Ⅵ級。

目前，隧道出口掌子面為遇水粉細砂層，開挖后如不及時處理，涌砂、突水、溜塌現象頻繁，該地區地下水為第4系孔隙水和基巖裂隙水。隧道洞身部分基巖裂隙水受補給源限制，其富水性較差。隧道洞身通過地段較為破碎，地下水不豐富。

1.2 施工方案

鑒于地層情況特殊，用傳統CD、CRD等施工方案速度緩慢，施工風險不易控制。該隧道采用“水平旋噴超前加固(見圖1)+大斷面施工”施工方案，取得了不錯的效果。主要通過隧道周邊水平旋噴樁結合大管棚、掌子面水平旋噴結合玻璃纖維錨桿和隧道內部綜合降水等措施對圍巖進行預加固處理，采用挖掘機和破碎錘開挖，機械裝運出渣。

圖1 水平旋噴超前加固縱剖面示意圖

2 測量方案

在每個施工循環開始，施做水平旋噴之前，需要封閉掌子面，把掌子面修整成60°～70°的坡，按1.5 m×1.5 m間距梅花形打設φ22 mm長2.5～3.0 m的錨桿，掛φ8 mm@20 cm×20 cm的鋼筋網片，網片相互搭接，并與錨桿連接，然后噴20 cm厚的C25混凝土。

由于封閉掌子面到仰拱跟進到掌子面之間有1到2周的時間，在這期間掌子面地形會發生一定的變化，根據新意法的理論，掌子面核心土的這種變化會關系到隧道整個的穩定性，加上軟弱地層的特殊性，在這期間在掌子面布置測點，對掌子面的變形變化進行觀測(見圖2)。

圖2 掌子面擠出變形量測

測量方案:由于施工工序復雜，現場監測作業受到施工干擾問題突出，因此基于三維非接觸測量原理，采用高精度全站儀進行量測[13］。在DK6+285掌子面布設發射膜片，反射膜片粘貼在掌子面露出錨桿的端部。測量時通過后方交匯采用絕對坐標進行測量，得到測點的三維坐標，通過投影換算，得到測點在隧道里程方向、隧道橫向和高程的變化值，其中5個測點的初始位置見表1。掌子面后方每間隔5 m布設一個拱頂沉降測點，每天上、下午進行兩次量測，分別采集了DK6+321～DK6+286共計8個監測斷面的數據。

表1 測點的初始位置

3 測量結果分析

3.1 掌子面擠出變形分析

掌子面封閉后仰拱跟進期間，掌子面擠出變形曲線如圖3所示，其中1號點～5號點的最大擠出變形分別為 19.3 mm、19.0 mm、10.8 mm、9.0 mm和15.5 mm。由圖3可以看出:掌子面上高程越大的點擠出變形值越大，也就是說越靠近掌子面上方位置的擠出變形越大;隨著仰拱施工靠近掌子面，掌子面擠出變形持續增大，分析曲線形狀，發現變形曲線大致可以分為5個階段:第1階段:在3月22日～3月23日未進行仰拱開挖，曲線平穩，4號點出現很小幅度的減小;第2階段:3月23日開挖仰拱，變化速率增大，在3月23日～3月26日開挖了5 m的仰拱，曲線平穩增長，變化速率保持一定;第3階段:在3月26日～3月29日繼續開挖了6 m仰拱，曲線平穩增長，變化速率一定;第4階段:在3月29日處，變化速率繼續增大，直至3月30日，在此期間開挖了8 m仰拱;第5階段:在3月30日達到峰值，往后曲線呈線性減小;分析原因:30日至31日期間，仰拱開挖施工到DK6+295，由于離掌子面下臺階的距離較近(只有2 m左右)，施工開挖會引起掌子面發生向下的滑動，造成擠出變形值急劇減小。

圖3 掌子面擠出變形曲線

表2為仰拱距掌子面距離與隧道半徑的比例關系，由表2可以看出:仰拱施工過程和掌子面擠出變形有一定的相關性:仰拱施工距掌子面的距離L＞4R時，施工對掌子面擠出變形影響很小，可以忽略;仰拱施工距掌子面的距離2R＜L＜4R時，隨著L的減小，掌子面擠出變形持續增大，在L≈3R處，累計變形速率發生變化，變化速率增大;仰拱施工距掌子面的距離L＜2R時，隨著L的減小，累計變形呈減小趨勢，下降速率快。

表2 仰拱里程與隧道半徑的關系

3.2 拱頂沉降變形

為了分析掌子面擠出變形和拱頂沉降變形的相關性，選取了DK6+321～DK6+286共計8個監測斷面的數據，其中，在3月22日以前，DK6+321和DK6+316兩個斷面的初支結構已經封閉。繪制曲線圖時，為了方便分析，把3月22日的累計沉降統一記為0，以后每天的變形依次疊加。

圖4為監測斷面的拱頂沉降曲線，由圖4可以看出:拱頂沉降曲線近似為線性變化;越靠近掌子面，在相同監測時間點，拱頂沉降量越大，則變形曲線的斜率越小，其中DK6+286除外。

經研究分析，DK6+286拱頂沉降反常有以下2個原因:

(1)該點的布設時間相對較晚，考慮到砂層的流變效應，拱頂的圍巖與初支結構的協調變形沒有充分的發展。

(2)該點距掌子面上臺階的距離僅有1 m左右，拱頂圍巖與掌子面的核心土連通性好，掌子面的變形約束相對較小，應力釋放的路徑會偏向于掌子面，而拱頂位置的受力會相對減弱。

監測斷面距掌子面距離S與拱頂沉降△的關系見表3。從表3中可以看出:當0＜S＜2R時，隨著S值的增大拱頂沉降變形持續增大，但是速率較慢;當S＞2R時，隨著S值增大，拱頂沉降變形繼續增大，且變化速率增大。也就是說，臨界的距離近似為2R，超出2R的范圍，兩者的相關度減弱。

根據3月22日至3月31日的監測數據，做出每個監測斷面拱頂沉降與掌子面擠出變形數值的相關曲線，如圖5所示。其中掌子面擠出變形值，取的是每天掌子面5個測點擠出變形的平均值，由于擠出變形曲線變化趨勢相近，取平均值做出曲線有代表性。

圖4 監測斷面的拱頂沉降

圖5 拱頂沉降與掌子面擠出變形的相關性曲線

表3 監測斷面距掌子面距離與拱頂沉降的關系

4 數值模擬

4.1 計算模型與基本參數

4.1.1 計算模型

使用FLAC3D建立計算模型如圖6所示，開挖跨度為15.62 m，開挖高度為13.68 m，隧道埋深為80 m。

4.1.2 邊界條件

在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型兩側的位移，頂部承受上覆圍巖的自重應力。

4.1.3 初始地應力場

主要考慮自重應力場，側壓力系數為0.9。

4.1.4 計算參數的選取

計算參數的選取見表4，其中，初支結構為c20噴射混凝土和I25a工字鋼，拱架間距為0.5～0.7 m內外雙層鋼筋網，鋼筋網為φ8鋼筋，20 cm×20 cm，噴層厚度為33 cm;二襯為C45鋼筋混凝土，厚度60 cm;仰拱充填混凝土為C25素混凝土。旋噴樁等效為厚度0.53 m的等厚度護殼。

圖6 計算模型

表4 計算相關的參數

4.1.5 施工過程的模擬

開挖前先進行超前水平旋噴樁預加固施工，樁長18 m，樁徑0.6 m，咬合0.1 m，范圍為上臺階下部處(上臺階頂部由于有部分砂卵石未施工旋噴樁);三臺階施工，上臺階為6.5 m，中臺階為2.5 m，下臺階為2 m，3個臺階跟進長度10 m，開挖進尺為0.7 m，計算中設定為1 m;開挖完成后跟進初支，并施工鎖腳旋噴樁;鎖腳旋噴樁長8 m，施工在上臺階和中臺階腳處;仰拱跟進距離為35 m，步距5 m;等初支變形基本穩定后再進行二襯施工，因此二襯對隧道結構的受力影響不大，計算中暫不考慮。

4.2 計算結果分析

計算模型見圖7，由于模型沿x=0對稱，因此選取右半側的模型進行計算。模型水平方向半長40 m，上、下各40 m，軸向長80 m，共計28 960個單元，31 671個節點，3 426個結構單元和1 895個節點。主要模擬掌子面封閉后，仰拱跟進的施工過程，仰拱共開挖4次，依次為4 m、3 m、3 m、8 m，計算模型如圖7所示，共分為5種工況。

圖7 計算工況示意圖

建模過程中，掌子面5個測點不在單元節點上，采用差分的原理，取兩個單元的差分值，由于1號點和2號點布設位置基本對稱，計算擠出變形時，是用兩組相同的節點差分的，所以1號點和2號點的數值相同。在仰拱跟進施工過程中，掌子面測點的擠出變形曲線如圖8所示，從圖8中可以看出:數值計算的擠出變形的數值與本文測量得到的數值接近;掌子面上方部位的擠出變形比下方的部位的擠出變形要大;在仰拱每次開挖的長度與掌子面的擠出變形值正相關，單次開挖長度越長，擠出變形越大。以上3點與監測結果分析相吻合，進一步說明了監測結果分析的可靠性。

由于模型長度的原因，本文只取到掌子面前方4組監測斷面的拱頂沉降數據，在仰拱跟進施工過程中，隧道拱頂沉降曲線如圖9所示。從圖9中可以看出:數值計算的拱頂沉降的數值與本文測量得到的數值相近;越靠近掌子面，拱頂沉降的數值越大;在仰拱每次開挖的長度與監測斷面的拱頂沉降值正相關，單次開挖長度越長，拱頂沉降變形越大。

根據數值計算結果，做出各個監測斷面拱頂沉降與掌子面擠出變形數值的相關曲線，如圖10所示，其中，掌子面擠出變形值，取的是每種工況下掌子面5個測點擠出變形的平均值。從圖10中可以看出:掌子面擠出變形與拱頂沉降變形近似呈線性關系;隨著監測斷面距掌子面的距離越近，曲線的斜率越大，也就是說相關程度越高。這與本文對監測結果分析是一致的，進一步驗證了掌子面擠出變形和拱頂沉降變形之間存在較高的相關性。

圖8 擠出變形曲線

圖9 拱頂沉降變形曲線

圖10 拱頂沉降變形與擠出變形相關曲線

5 結論

本文以某軟弱砂質圍巖隧道為研究背景，采用理論分析、監控量測和數值計算等研究手段，研究了在整個掌子面封閉后仰拱跟進期間掌子面擠出變形規律，對掌子面擠出變形和拱頂沉降變形之間的相關性進行了分析，分析結果表明:

(1)掌子面上方位置的擠出變形值要比下方位置的擠出變形值大。

(2)仰拱施工距掌子面的距離L＞4R時，施工對掌子面擠出變形影響很小，可以忽略;仰拱施工距掌子面的距離2R＜L＜4R時，隨著L的減小，掌子面擠出變形持續增大，在L≈3R處，累計變形速率發生變化，變化速率增大;仰拱施工距掌子面的距離L＜2R時，隨著L的減小，累計變形呈減小趨勢，下降速率快。

(3)數值模擬結果表明:在仰拱每次開挖的長度與掌子面的擠出變形值正相關，單次開挖長度越長，擠出變形越大;另外，通過數值計算，得出了掌子面擠出變形與拱頂沉降變形相關曲線，在此基礎上，可以通過對掌子面后方拱頂沉降變形值來估算掌子面的擠出變形值，從而對掌子面的穩定性進行評估。

(4)數值模擬和實測結果表明:掌子面擠出變形與拱頂沉降變形之間近似線性相關，擠出變形越大，則拱頂沉降變形越大，因此，可以通過采取針對掌子面的加固措施來控制拱頂的沉降變形。

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