小凈距隧道施工先行洞圍巖變形性狀研究

常曉麗 虞巍巍

(1.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 100024; 2.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000)

1 概述

文章參閱近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)小凈距隧道大量的研究成果[1-6]，通過(guò)對(duì)莞惠城際軌道工程GZH-5標(biāo)GDK25+080～GDK25+380段區(qū)間隧道進(jìn)口段30 m進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，分析研究淺埋暗挖小凈距隧道施工過(guò)程中先行洞圍巖變形性狀，得出了先行洞凈空收斂及拱頂沉降變形規(guī)律，確定了圍巖變形監(jiān)測(cè)累計(jì)終值，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，達(dá)到了降低施工加固工作量，節(jié)約工程成本及加快工程進(jìn)度的目的，以期為類似小凈距隧道施工提供借鑒。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 施工監(jiān)測(cè)方案

本工程結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求，該區(qū)間隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目為洞內(nèi)外觀察、上方地表沉降、洞內(nèi)凈空收斂及拱頂沉降。同時(shí)設(shè)計(jì)給出了監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目表中的監(jiān)測(cè)方法、設(shè)備以及監(jiān)測(cè)警戒值，詳見表1。洞內(nèi)外測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖見圖1。

表1 區(qū)間隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目表

2.2 監(jiān)測(cè)成果分析

2.2.1終值統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析區(qū)間各監(jiān)測(cè)斷面凈空收斂與拱頂沉降的終值數(shù)據(jù)，有利于判斷此圍巖狀態(tài)下采用此工法的最終穩(wěn)定值范圍，各監(jiān)測(cè)斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)終值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 凈空收斂及拱頂沉降累計(jì)終值統(tǒng)計(jì)表 mm

2.2.2曲線分析

為了更好的與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取模型中影響最大的DK25+363監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的位移—時(shí)間曲線及相關(guān)回歸曲線進(jìn)行分析，見圖2，圖3。

由圖2可以看出，2014年7月23日后行洞開挖，2014年8月23日先行洞凈空收斂數(shù)據(jù)發(fā)生突變。未發(fā)生突變前，凈空收斂變形規(guī)律應(yīng)滿足圖3中回歸方程趨勢(shì)，預(yù)測(cè)累計(jì)終值可達(dá)81.038 27 mm，發(fā)生突變后，數(shù)據(jù)需要二次穩(wěn)定，實(shí)測(cè)終值66.81 mm，后行洞造成先行洞DK25+363斷面凈空收斂減小量約14.228 27 mm。由圖3可以看出，2014年8月25日先行洞拱頂沉降數(shù)據(jù)發(fā)生突變。未發(fā)生突變之前，拱頂沉降變形規(guī)律應(yīng)滿足圖4中回歸方程趨勢(shì)，預(yù)測(cè)累計(jì)終值可達(dá)32.892 68 mm，實(shí)測(cè)終值46.85 mm，后行洞造成先行洞DK25+363斷面拱頂沉降增大量約13.957 32 mm。

上述分析結(jié)果表明：后行洞開挖對(duì)先行洞周位移有很大影響，在后行洞開挖之前，先行洞已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而后行隧道的開挖擾動(dòng)再次引起先行隧道洞周圍巖發(fā)生變形，致使該區(qū)間隧道圍巖變形規(guī)律十分復(fù)雜。本工程設(shè)計(jì)單位未綜合考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜變化，將全線Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ級(jí)圍巖監(jiān)控量測(cè)控制值統(tǒng)一為相同標(biāo)準(zhǔn)，凈空收斂為30 mm，拱頂沉降為100 mm。根據(jù)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)分析，該區(qū)間隧道拱頂沉降與凈空收斂監(jiān)測(cè)終值均與設(shè)計(jì)控制值相差甚遠(yuǎn)。為了對(duì)工程監(jiān)測(cè)數(shù)值做出更好的控制，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 單元和本構(gòu)

基于有限元分析軟件MIDAS GTS建立小凈距淺埋暗挖隧道的三維彈塑性模型，本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。土體采用實(shí)體單元，噴射混凝土采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，鋼拱架及中支撐采用梁?jiǎn)卧?，超前小?dǎo)管采用提高圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方法來(lái)模擬。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，三維有限元模型的地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 幾何模型及工況

該模型擬建初始地基范圍120 m×50 m×30 m，里程段落DK25+378～DK25+348，按照實(shí)際施工工序進(jìn)行模擬，大里程方向?yàn)樗淼肋M(jìn)口，右線為先行洞，待先行洞開挖結(jié)束后后行洞開始施作，先行洞與后行洞間距約4 m。建立的有限元模型如圖4所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

有限元計(jì)算結(jié)果表明：

1)由圖5與圖6可見，開挖完成時(shí)，DX與DZ位移變形性狀符合實(shí)際變形規(guī)律，且與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果有較高的相似性，表明本模型具有較好的模擬效果。

2)圖7與圖8為隧道初期支護(hù)圍巖變形前后對(duì)比圖，分析對(duì)象為后行洞開挖結(jié)束時(shí)變形最大的初期支護(hù)單元。圖7中顯示，先行洞開挖結(jié)束時(shí)凈空收斂相對(duì)值為80.734 5 mm，后行洞開挖15 m時(shí)凈空收斂相對(duì)值為78.340 4 mm，后行洞開挖結(jié)束時(shí)凈空收斂相對(duì)值為68.142 8 mm，可以看出開挖過(guò)程中凈空收斂相對(duì)值均遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)控制值30 mm。后行洞開挖對(duì)先行洞凈空收斂有一定影響，臨近后行洞的圍巖向外側(cè)移動(dòng)，遠(yuǎn)離后行洞一側(cè)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)距離小于臨近一側(cè)，從而出現(xiàn)凈空收斂相對(duì)值逐漸減小的現(xiàn)象；圖8中顯示，先行洞開挖結(jié)束時(shí)拱頂沉降值為25.822 4 mm，后行洞開挖15 m時(shí)拱頂沉降值為32.257 7 mm，后行洞開挖結(jié)束時(shí)拱頂沉降值為42.071 9 mm，可以看出開挖過(guò)程中拱頂沉降值均小于設(shè)計(jì)控制值100 mm。后行洞開挖對(duì)先行洞拱頂沉降也有一定影響，隨后行洞開挖先行洞拱頂沉降逐漸變大。由圖7，圖8分析得出，后行洞開挖過(guò)程中，擾動(dòng)土體，致使先行洞四周圍巖變形性狀發(fā)生改變，洞身整體向后行洞方向偏移，因靠近后行洞一側(cè)圍巖偏移量大于遠(yuǎn)離一側(cè)，致使相對(duì)收斂值減小，拱頂沉降值增大現(xiàn)象產(chǎn)生。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比

為了確定該數(shù)值模型的模擬效果，以及更準(zhǔn)確給出后行洞施工對(duì)先行洞影響的量值，文章對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，且具有較高的一致性，見表4。

表4 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬比較 mm

4 設(shè)計(jì)方案修正

結(jié)合該區(qū)間隧道實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)該隧道工程監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正，見表5。

表5 設(shè)計(jì)修正結(jié)果 mm

結(jié)果表明，對(duì)拱頂沉降控制值的修正，能夠更好的控制圍巖變形，保證工程安全；對(duì)凈空收斂控制值的修正，增大周邊圍巖變形控制區(qū)間，在保證隧道安全的同時(shí)，不僅可以減少因監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不合理預(yù)警的加固浪費(fèi)，還可以有效的加快工程進(jìn)度，對(duì)該工程具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)例，采用三維有限元實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)其位移場(chǎng)及安全系數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，與該區(qū)間隧道的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到如下結(jié)論：

1)淺埋小凈距隧道施工過(guò)程中，后行洞開挖對(duì)先行洞圍巖變形性狀有較大的影響，且具有一定規(guī)律，即先行洞洞身整體向后行洞方向偏移，凈空收斂相對(duì)終值減小，拱頂沉降終值增大。

2)該工程實(shí)例，凈空收斂和拱頂沉降控制值修正后的結(jié)果，通過(guò)實(shí)際施工驗(yàn)證，不僅保證了工程安全，節(jié)約了工程成本，還大大的加快了工程進(jìn)度，產(chǎn)生了巨大的工程意義，可為類似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。

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