隧道變形控制技術研究

張忠俊

(沈陽公路工程監理有限責任公司，遼寧沈陽 110168)

0 引言

隧道開挖和支護施工改變了其圍巖的受力狀態，形成松動圈，從而產生巖石分離、冒落、坍塌、拱頂下沉、拱頂鼓起和兩幫側移等［1，2］。高速公路隧道開挖后，由于回彈和應力重分布作用使得強度較低的圍巖產生塑性變形，甚至發生破壞，造成施工不便甚至影響施工安全［3-5］。國內外學者對隧道開挖和支護施工引起的圍巖進行了廣泛的研究。張向東等［6］采用大型非線性有限元分析軟件ADINA對隧道開挖變形進行數值模擬，建立二維有限元分析模型;采用ADINA自帶的單元生死功能動態模擬開挖支護過程，對比全斷面開挖法與上下臺階法開挖兩種施工方法，分析兩種方法對隧道圍巖變形的影響。王義國等［7］基于灰色理論的GM(1，1)模型對隧道圍巖變形進行了短期預測。孫元春［8］、Cheng Y M［9］、劉志春等［10］通過總結分析圍巖變形3階段的特點，結合隧道量測剖面的實測數據，對圍巖變形的空間效應和時間效應進行了分析。王樹棟［11］以宜萬鐵路堡鎮隧道軟弱圍巖大變形段施工為依托工程，綜合應用現場實測、理論分析、數值模擬和室內試驗等手段，并引入人工智能技術對隧道施工期軟弱圍巖段變形機理進行了研究，對支護結構參數進行了優化，上述研究取得了豐富的成果。

本文依據撫通高速某隧道工程實例，利用大型有限元分析軟件ADINA，建立2D平面簡化隧道模型，對隧道開挖和支護過程進行動態模擬，研究隧道開挖和支護過程引起的拱頂沉降和兩幫側移規律，提出采用錨噴聯合支護的方法控制隧道變形。將數值模擬計算結果和現場監測結果進行對比，分析了支護后圍巖的變形情況，驗證了數值模擬結果的準確性。

1 施工技術

1.1 隧道開挖

1)加強超前支護工作。

隧道進出口等地質條件差的地段均應采用大管棚注漿加固形式作為超前支護，管棚孔的外插角應以管棚末端不侵入隧道開挖輪廓線為原則，越小越好，一般應小于2°。

2)嚴格控制每循環進尺及爆破參數。

全斷面Ⅰ級～Ⅲ級圍巖循環進尺不宜大于3 m～3.5 m，臺階分步法開挖Ⅴ級～Ⅵ級圍巖進尺宜0.5 m～1.0 m，圍巖極差地段施工應采取輔助施工措施，各工序安排要緊湊，支護要及時，保證安全。

3)開挖質量控制。

爆破后的圍巖面應圓順平整，無欠挖，圍巖面上無粉碎巖石、明顯的裂縫和浮石。拱部破碎巖、土等Ⅵ級，Ⅴ級圍巖允許超挖平均不大于100 mm，最大150 mm;邊墻、仰拱、隧底超挖平均不大于100 mm。盡量避免欠挖，當圍巖完整、石質堅硬時，容許個別巖石堅硬凸出部分進入襯砌，但不得大于5 cm。

1.2 初期支護

噴錨支護緊跟。噴錨支護要嚴格檢測超前錨桿和系統錨桿的進深長度、間距，決不允許發生“長錨短打”的偷工減料現象。施工時應注意:

1)構件應架設在隧道中線方向的垂直面上，各排支護間應縱撐連接牢固，形成整體;2)支護結構形式應根據圍巖級別而定;3)錨桿施工應在初噴混凝土后及時進行;4)鋼架應垂直隧道中線，左右偏差不超過5 cm，緊貼巖面留有2 cm～3 cm的間隙作為混凝土保護層，并用縱向鋼筋連接，置于牢固基礎上;5)超前小鋼管、超前錨桿應與鋼架支撐配合使用;6)噴射用水泥應采用標號不低于32.5級普通硅酸鹽水泥;速凝劑要求初凝不超過5min，終凝不超過10 min;噴射混凝土終凝2 h后應噴射水養護，養護時間不少于7 d。

1.3 二次襯砌

二次襯砌混凝土必須具有足夠的強度、耐久性、抗滲性和可靠性。因此應嚴格控制混凝土的配合比設計、水灰比、單位用水量及粗骨料尺寸，合理確定混凝土的和易性、坍落度、流動性等各項指標。不允許出現蜂窩、麻面、強度不足、施工縫漏水、襯砌表面不平整等質量問題。隧道中線、標高、斷面尺寸、凈空及襯砌材料的標準規格必須符合要求。為保證襯砌不侵入建筑界限，在放樣時可將設計的輪廓擴大50 mm。

2 數值模擬

2.1 建立模型及參數選取

依據撫通高速某隧道工程實例，建立2D平面簡化隧道模型。根據巖體力學理論，地下開挖后所引起的擾動范圍為開挖空間尺寸的3倍～5倍左右，超過該范圍的巖體受擾動影響可以忽略不計，故模型尺寸取40 m×25 m，其中隧道尺寸為9 m×5 m，見圖1。

圖1 網格模型圖

開挖過程為從右上開始先兩邊后中間對稱開挖。支護方式為每挖完一個面加一層初襯，開挖全部完工之后，統一進行二襯支護。隧道巖體材料采用Mohr-coulomb模型，支護和襯砌結構采用Isotropic Linear Elastic模型，具體參數見表1。

表1 模型計算參數

2.2 模擬結果分析

圖2和圖3為總位移云圖，圖4和圖5為側向位移云圖，圖6和圖7為豎向位移云圖。

圖2 無錨桿支護時隧道位移云圖

圖3 錨桿支護時隧道位移云圖

圖4 無錨桿支護時隧道側向位移云圖

圖5 錨桿支護時隧道側向位移云圖

圖2 和圖3表明，隧道開挖會引起隧道圍巖壓力重新分布，拱頂下沉、拱底鼓起并伴隨兩幫側移，減小隧洞尺寸，引起施工不便，甚至發生事故。單純噴射混凝土的支護方法并不能阻止隧道圍巖的變形，采用錨噴聯合支護會改變隧道圍巖的受力狀態，降低圍巖應力集中，顯著減小隧道的變形。

圖4和圖5表明，隧道開挖會引起隧道兩幫的側移。且側移分布沿隧道斷面中心線對稱分布，側移方向為圍巖指向隧洞。采用錨噴聯合支護對減小隧道兩幫側移的作用并不明顯。

圖6和圖7表明，隧道開挖會引起拱頂下沉，拱底鼓起。采用錨噴聯合支護會改變隧道圍巖的受力狀態，降低圍巖應力集中，顯著減小隧道拱頂的豎向位移。

為研究隧道開挖變形隨時間的關系，在隧道拱頂和兩幫安裝收斂位移計，監測支護完成后拱頂和兩幫的位移。并利用有限元分析軟件ADINA進行數值模擬，將數值模擬結果與監測值進行比較，如圖8和圖9所示。

圖6 無錨桿支護時隧道豎向位移云圖

圖7 錨桿支護時隧道豎向位移云圖

圖8 拱頂位移監測值與預測值

圖9 兩幫位移監測值與預測值

圖8和圖9表明，開挖完成后，支護初期隧洞拱頂和兩幫位移均變化較快，位移變形顯著，變形速率較高，之后逐漸降低。在支護后的前28 d拱頂位移達到總位移(監測81 d的位移)的89%，28 d后變形增速放緩，最終達到穩定。在支護后的前25 d兩幫位移達到總位移的89%，25 d后兩幫位移趨于穩定，但仍緩慢增加。

3 結語

1)為確保隧道開挖安全，隧道施工作業必須堅持“短進尺，弱爆破，支護緊跟，勤量測，早封閉”的原則。在支護中加強超前支護工作，嚴格控制每循環進尺及爆破參數，初期支護和二次襯砌應嚴格遵守相應操作規程。

2)利用大型有限元分析軟件ADINA對撫通高速某隧道開挖和支護過程進行數值模擬。數值模擬結果表明:隧道開挖會引起拱頂下沉、拱底鼓起、兩幫側移等，嚴重威脅隧道施工安全。結合工程實際，提出采用錨噴支護的原則，減小了隧道圍巖的變形，保證了施工安全。

3)數值模擬結果與現場監測結果具有較好的吻合程度，驗證了數值模擬結果的準確性。對比分析結果表明:開挖完成后，支護初期隧道拱頂豎向位移和兩幫側向位移增加較快，變形速率快。支護后的前25 d～28 d隧道圍巖變形達到穩定。

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