分離式隧道圍巖支護體系穩定性研究

黃斌才

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京市 101300）

0 引言

伴隨著新奧法在隧道工程作業中的推廣與應用，在新奧法中現場的監控是一個非常關鍵的環節。實時、精準地開展施工場地的監測以及信息傳遞是這種體系的核心，借助收集反饋所得到的信息，計算出圍巖穩定性，保證支護以及襯砌的安全可靠，矯正之前的數據，重新規劃制定施工方案等給予原始依據，借此做到科學的設計，并有效提升其施工效益。同時隨著信息化的深入、巖土工程的理念以及經驗的積累，參數模擬在隧道建設的環節中更是受到了深入的運用，這是由處理巖體結構、圍巖以及支護彼此之間的互相作用、圍巖壓力狀況、圍巖應力以及變形等所構成的大致形式。

1 工程概況

福建省泉州至三明高速公路三明市境路基土建工程某合同段處在三明市大田縣境內，起點在石牌鎮初坑村K142+840.000，終點止于三陽村清羊山K150+100.000。其中K143+000=YK142+995.809，長鏈 4.19 m；YK146+163.546=YK146+146，長鏈3.546 m。因此隧道的總長度為7.267 737 km。

本文結合三陽隧道進口段K147+990斷面來作為分析對象，上部Ⅴ層碎石土以及凝灰巖的寬度在2.6～4.7 m；其圍巖的種類大多都是弱風化凝灰巖，總的來說整體圍巖地質不是很好，為Ⅴ級圍巖。

為提升該隧道施工質量以及安全性，選用了新奧法來開展施工，隧道襯砌選用C25防水混凝土，將其厚度控制在35～55 cm，選用12、16鋼筋組成雙層鋼筋網，彼此之間間隔20 cm。詳細隧道斷面以及襯砌架構如圖1所示。

圖1 隧道斷面與襯砌結構圖（單位：cm）

2 隧道圍巖-支護體系穩定性判據

就隧道圍巖以及支護模式的自身安全與穩定情況，各個國家之間的分析形式都有所差異，相對較為直接的是變量體現為相對位移、速率、時態曲線的特征等。工程開始后其唯一時間的曲線能借助數值模擬設計以及監控量測兩者融合的形式來確立，這是圍巖以及支護在力學角度上的一種直接反饋[1]。本文借助相對位移以及速率來作為判定標準，掌握之前隧道的大致地理特點，根據相關的工程標準以及資料，在明確該隧道周邊可承受相對位移數據（見表1）的前提條件下，用數值模擬以及監控量檢測數據來開展對于支護模式穩定性的評定。

表1 三陽隧道附近可承受范圍內的相對位移表 %

3 數值模型

3.1 數值模型的建立

（1）因為隧道中軸方向的長度要比其徑向的程度大，能依照其中軸的方位選擇寬度，并將這個問題當作水平應變來處理[2]。

（2）依照該隧道的實際尺寸以及塑性力學特點來開展類比，通常會選擇3～5倍的半徑來當作分析區間。該模型選用隧道兩端各40 m，下層直到隧道底層30 m，上層直到地面，因為其截面表層相對平整，從工程應力的角度上來考慮，其作用不是很明顯，所以依照水平表面來解決。隧道埋深依照現場實地，一般取25 m左右，洞心距離左右控制在28 m。模型的兩端設置為橫向束縛，底層定義為固定束縛，上邊界作為自由表層。

（3）依照時間的形變特征與其材質上的特點，該模型選用彈塑性本構體系來作為基礎，以摩爾-庫侖準則來作為基礎[3]。

3.2 參數的選擇

依照數據構建起來的準則，在開展分析的環節中，Ⅴ級圍巖以及上層風化層的具體數據根據隧道和對應的試驗來明確，最開始的支護選用各種同性彈性模量以及參照數據，計算過程中不做二次襯砌的考慮。

就節理發育的巖體而言，常規的認知是將錨桿當作連接被破壞圍巖的一種形式；但從力學角度來看，其主要作用就是強化巖體的綜合強度以及抗剪程度。所以就錨固位置而言，大致是借助提升圍巖的E、C、值來進行分析。

4 開挖過程模擬

依照實地施工狀況與分析模擬的要求，隧道的開挖借助先左后右、由上及下的順序來進行。

在實際的支護時，運用null模型進行模擬挖方，借助各個方向的同性彈性模型以及變化最開始時期支護結構的材料性質來擬定隧道的早期支護；在開展監測數值模擬的環節時，就隧道左洞附近的位移大小來開展，監測的地點是在左側墻、右側墻以及拱頂處（見圖2）。

圖2 隧道開挖工序

5 監控量測及結果分析

5.1 監控量測

依照FLAC的分析數據結論，大致選取左洞K151+700斷面來開展監控量測，其區域大致包含有底部、右拱腰以及左、右拱腳這四處，其過程嚴格遵守對應的法律法規要求。在經歷長達30 d的觀察數據，根據數據描繪出位移-時間圖[4]。

5.2 結果分析

（1）回歸分析。根據施工量測取得的結果存在一定程度上的離散性質，其中包括有偶然誤差的作用。在隧道監測結果論證的環節中，最關鍵的就是處理好u與t之間的關聯，也就是借助u=f（t）的函數模型來繪制出時間-位移圖，并將其離散點進行對應的整合。因為測量的數據存在誤差以及干擾的情況，所以制作出來的圖像是不規則的；其應力u隨著t數值的提升而增多。本文借助的非線性回歸方程作為其函數模型：Y=A（1-e-bx）。

借助數據可算出其函數是Y=5.167（1-e-0.2859x），這個函數的回歸性分析的系數為R=99.05%，其檢測的數據已經達標，說明該隧道的拱頂圍巖沉降的最后數字是5.167 mm。

（2）檢測數值同數字模擬數據進行比對。把數值模擬的數據和檢測的數據放在同一個圖像中，以此來繪制出時間-位移圖（見圖3）。通過比對，不難看出兩者之間基本處于一致的狀態。在隧道開始挖方時，拱頂的沉降開始出現較大的變化；在上臺階支護工作完成后，其變形的速度降了下來，但伴隨著隧道的持續進行，拱頂的沉降速度也受到了一定程度的影響，構成一種波浪形的曲線；在過程結束后，其在支護阻力的影響下開始逐漸穩定下來[5]。

從最后的位移距離上出發來研究，模擬數據要略大于檢測數據，主要是由于數值模擬過程中沒有考慮二次襯砌體系的作用；從相對位移的角度出發，挖方工作開始后，雖說在拱腰以及邊墻出現了其所對應的塑性區，但對應收斂的最大數據只有0.07%，要比附近可承受的相對位移數值小很多。根據以上的分析可知，該隧道的安全系數相對較高，其支護模式較為可靠；但其采用的支護數值還是相對保守了一些，在條件允許的前提下可下調其支護的數據。此外還可以適度地推延支護工作的開始時間，這樣一來就可將圍巖的松動壓力全面釋放出來。

圖3 實測數據與回歸分析曲線對比圖

6 結語

綜上所述，借助對先前隧道開挖支護開展數據模擬與施工量測數值的全面剖析，可總結出下面幾個結論：

（1）有限差分數值模擬數據表明，隧道周圍拱體兩端到邊墻周邊有著范圍較大的塑性區域。其左洞的最大橫向收斂值是3.69 mm，兩面墻的極限位移距離是1.79 mm與2.01 mm，極限下沉出現在拱底部分，下沉的數值是5.17 mm，而仰拱的極限隆起數值是4.91 mm。

（2）就監控量測的數值開展非線性回歸討論，獲取各個地點的時間-位移圖，并研究圖像特征，與數值模擬的數據開展對比。對比之后可以得出，相對收斂值的極限數據要比其附近可承受的位移量高出很多，隧道的安全儲備相對較多，得出該隧道的支護模式相對較為穩定。

（3）借助有限差分數值模擬以及回歸分析兩者融合的形式來分析其支護模式的穩定性質以及可靠性，可為該隧道的動態設計帶來理論技術層面上的支持。