天池坪隧道位移變形規律及控制措施分析

席俊杰，盧美嫣

(廣東省公路建設有限公司，廣東廣州510000)

近年來，國內外對于隧道施工過程中圍巖變形時空效應研究取得了一定的成果，并將規律應用到實際施工中，得到了良好的效果。北京交通大學的吳波，利用彈—黏塑性模型，對某城市淺埋隧道工程在開挖過程中地表和圍巖變形以及圍巖的穩定性進行了分析，對圍巖的穩定性進行了成功的預報［1］。重慶大學的吳夢軍，利用“公路隧道結構與圍巖綜合實驗系統(CTSSSRH)”，對大跨扁平連拱隧道的施工動態全過程進行了三維物理模擬，分析了圍巖位移、應力隨開挖步的變化規律，提出了大跨扁平連拱隧道施工時空效應［2］。重慶交通大學的翁其能，探討了空間效應和時間效應相分離時隧道圍巖及支護的變形特性，并就現場的變形情況進行了單獨的分析［3］。但國內對于特定圍巖隧道施工變形的時間空間規律研究較少，難以掌握較為準確的施工節點，在類似圍巖隧道施工過程中缺乏相關的指導經驗。

1 工程概況及試驗段簡介

新建蘭渝鐵路天池坪隧道位于甘肅省宕昌縣境內，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道。隧道最大埋深1 500 m，洞身溝谷中最小埋深86 m，隧道全長14 521 m。隧道洞身通過的地層主要為第四系地層洪積、坡積粗角(圓)礫土、碎石土、三疊系砂巖、板巖、灰巖及三者互層為主。該隧道所過地段未發育有斷層。試驗段里程DK286+482～DK286+492和DK286+512～DK286+525，對應的監測斷面里程為 DK286+487、DK286+520。

圖1 三臺階七步開挖法施工部序

兩個試驗段均采用三臺階七步開挖法施工，具體開挖方式及尺寸如上圖1所示，試驗段DK286+512～DK286+525在開挖上臺和中臺后，對左右側基底增設加固錨管，從而在其他支護條件不變的前提下，試驗通過增設基底加固錨管對隧道變形的控制作用。

將前期開挖斷面與試驗段開挖斷面比較，前后圍巖情況較為相似，主要圍巖為炭質板巖，為薄層板巖，灰色，泥質結構，薄層板狀構造，走向與線路垂直，傾向出口，受構造影響較重，巖體節理裂隙發育，扭曲現象多見，局部傾向進口，石質較軟。蘭渝鐵路在該區域的其他隧道標段同樣遇到炭質板巖大變形的問題，如圖2。

圖2 拱部圍巖狀況

2 有限元數值模型

由于對比需要，綜合考慮模型網格劃分及邊界效應，建立兩個三維模型，為了保證模擬結果比較的正確性，兩個模型大樣的長、寬、厚度及劃分網格基本相同，圍巖定級為IV級，相應的支護采用全環C25噴混凝土30 cm厚;拱部22組合中空錨桿，長6.0 m，間距1.0 m×0.8 m;邊墻22砂漿錨桿，長6.0 m，間距1.0 m×0.8 m;全環布設H175型鋼，間距0.6～0.8 m。試驗段DK286+512～+525基底加固錨管每延米共4處16根6.0 m長42小導管。圍巖及初期支護材料參數如下［4、6］:

表1 材料參數表

如圖3中的模型大樣，模型總寬度為110 m，總高度為100 m，總厚度為10 m，仰拱以下為47.56 m，隧道拱頂上覆土40 m，其余覆土用相應的壓力值代替施加于模型頂部。

圖3 數值模擬整體模型及支護結構模擬單元

3 實測數據曲線擬合及數值模擬結果

在隧道掘進過程中，隧道拱頂沉降的時空效應反映最為敏感，在同一里程點，拱部開挖工序先于其他工序，所以，其檢測的數據結果也較為完整。在曲線擬合的過程中，利用數理統計軟件SPSS將現場實測數據進行處理，以下為監測斷面的實測位移曲線擬合圖及數值模擬結果。

3.1 DK286+487斷面數據結果

圖4 DK286+487斷面拱頂豎向位移數據

圖5 DK286+487斷面左側拱腰豎向位移數據

圖6 DK286+487斷面右側拱腰豎向位移數據

拱頂沉降對數擬合結果為y=－22.49+－61.816×ln(x)，相關系數為0.912。左拱腰豎向位移對數擬合結果為y=40.383+－64.757×ln(x)，相關系數為0.984。右拱腰豎向位移對數擬合結果為 y=47.802+－68.585×ln(x)，相關系數為0.961。

圖7 DK286+487斷面拱部豎向位移數值模擬數據

3.2 DK286+520斷面數據結果

圖8 DK286+520斷面拱頂豎向位移數據

圖9 DK286+520斷面左側拱腰豎向位移數據

圖10 DK286+520斷面右側拱腰豎向位移數據

拱頂沉降對數擬合結果為 y=(－19.51)－45.687×ln(x)，相關系數為0.989;左拱腰豎向位移對數擬合結果為y=－31.339－24.796×ln(x)，相關系數為0.92;右拱腰豎向位移對數擬合結果為 y=52.172－44.192×ln(x)，相關系數為0.953。

圖11 DK286+520斷面拱部豎向位移數值模擬數據

3.3 綜合分析

天池坪隧道采用三臺階七步開挖法，每臺的作業速度為1循環/天，該循環作業包括開挖、鋼拱架及錨桿安裝、初期支護噴混凝土。施工現場每循環的進尺為0.6 m。通過相應斷面拱部不同部位的實測數據曲線比較，發現采用增加基底加固錨管的DK286+520斷面，在控制拱部沉降方面效果比較顯著，如表2所示。

相比較DK286+487斷面，DK286+520斷面拱頂實測沉降位移減小32%，數值模擬沉降位移減小13%;左側拱腰實測沉降位移減小53%，數值模擬沉降位移減小16%;右側拱腰實測沉降位移減小58%，數值模擬沉降位移減小24%。從實測和數值模擬兩方面結果看，在原支護基礎上增加基底加固錨管對于控制碳質板巖隧道拱部沉降有良好的效果。

表2 不同斷面拱部豎向位移表

位移－時間變化規律如下:DK286+487、DK286+520斷面拱部沉降位移的變化分三個階段，即急速增加階段、穩定增加階段、穩定階段。拱部位移在急速增加階段位移增加速度快，累加位移占總位移量的比重大，約為總位移的50% ～60%;在位移穩定增加階段后期，位移增速有逐步放緩的趨勢，累加位移占總位移量的比重相對較小，約占總位移的35%～40%。穩定階段的位移基本穩定，但由于圍巖應力重新達到平衡需要的時間較長，該階段也可能繼續有微小位移增長，該階段累加位移占總位移量的比重約為0～5%。急速增加階段為該相應部位開挖后1～13 d內，增加減緩階段為該部位開挖后14～27 d內，穩定階段為該部位開挖28 d后。

位移－空間變化規律如下:拱部沉降變形受到上臺階和中臺階的開挖擾動影響大，上臺掌子面與拱部監測點的距離在0～6 m范圍內，拱部沉降明顯;上臺階掌子面與拱部監測點的距離超過6 m后，中臺階掌子面的開挖對拱部監測點的影響顯現，中臺階掌子面與拱部監測點的距離在1.2～6.4 m范圍內，拱部沉降速度逐漸減弱。下臺階開挖對于拱頂的沉降影響較小，當下臺階掌子面與監測點的距離超過2 m后，由于仰拱的施做，拱頂基本穩定。

4 結論

通過實測和數值模擬的結果比較，采用三臺階七步開挖法過程中，對上中臺基底施作基底加固錨管能夠有效控制拱部沉降。拱部位移變化期分三個階段，即急速增加階段(相應斷面拱頂部位開挖后1～13 d內);增加減緩階段(相應斷面拱頂部位開挖后14～27 d內);穩定階段(相應斷面拱頂部位開挖后27 d后)。拱部沉降受到上臺階和中臺階開挖的影響比較大，當上、中臺階掌子面與拱部監測點的縱向距離在6 m范圍內時尤為明顯。下臺階及仰拱的開挖對于拱部沉降的影響較小。

［1］ 吳波.城市淺埋隧道施工性態的時空效應分析［J］.巖土工程學報，2004(3):340－343

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