不同隧道開挖方法對隧道結構的影響性分析

摘 要：隧道在施工期和運營期會發生沉降、變形和開裂等病害現象，這些問題的產生于隧道開挖的施工方法有很大的關系。針對某隧道開挖過程進行監控，并對其中不同開挖方法對隧道結構的影響狀況進行分析，并對不同開挖工法下隧道圍巖應力、變形、襯砌沉降和錨桿的受力情況進行分析。

關鍵詞：圍巖應力；隧道變形；仿真模擬

基金項目：重慶市教育委員會科學技術研究項目（KJ1735451，KJQN201803804）；重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室開放基金資助（LHSYS-2016-004）；重慶水利電力職業技術學院院級科研項目（K201707）

1 前言

由于有限元、FLA一類數值方法的運用，中國的隧道工程師已經對隧道襯砌設計中的“荷載—反力”的模式作了必要的補充。在一定的條件下，要采用“整體模型”來理解圍巖和支護之間的相互關系，即把支護作為圍巖的邊界條件，從圍巖穩定性角度來確認支護系統的可靠性。無論是在連續介質力學的應用，節理巖體分析，塊體平衡理論和計算方法的創立等方面，中國學者都作出了貢獻。在軟弱圍巖的支護系統設計中，形變壓力概念和“收斂—約束”模型也已被人們所接受。但是，由于隧道工程環境條件數量化表達方面的困難，常常會使得力學家們所提出一些理論和計算方法，難以對具體工程起到指導作用。因此，除了在計算理論中引入不確定性概念（隨機性和模糊性）外，建立在工程類比基礎上的經驗方法在隧道設計中永遠有著不可取代的地位。作為工程類比的基礎，我國已提出以定性描述和定量指標相結合的“工程巖體分級標準”GB-50218-94。其中，定量指標除采用巖塊強度和節理統計資料外，還運用了彈性波的測試數據。此外，建立以既有工程數據庫為基礎的聚類分析和支護設計的模糊類比方法也已成為不少中國學者的注意點。與地面結構物不同，隧道開挖前所提出的設計在嚴格意義上說只能稱做“預設計”。根據對隧道開挖過程中圍巖和支護系統力學行為的量測來論證和調整設計參數也是隧道設計中的一個十分重要的環節。本文針對不同隧道開挖工法對隧道施工過程的影響性進行分析。

2 工程概述

隧道全長為3.4公里，全路段的圍巖等級分別為Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖，針對圍巖的強度等級和地質狀況，分別采用了全斷面開挖法、分臺階開挖法和左右分步開挖法，對應位置隧道的埋深分別為50m、100m和300m。隧道的截面形式為三心圓加仰拱，采用噴錨支護形式，高寬比采用0.71。其中的物理力學參數如下：圍巖（Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖）彈性模量（E/GPa）分別為3.0、1.0、0.4；泊松比0.27、0.33、0.39；圍巖重度（kN/m3）為26、23、19；粘聚力（c/MPa）為0.5、0.2、0.03；內摩擦角為37、32、29。錨桿的彈性模量（E/GPa）為216；泊松比為0.31；重度（kN/m3）為69。襯砌混凝土的彈性模量（E/GPa）為24；泊松比為0.31；重度（kN/m3）為33。

3 現場監控分析

分別針對隧道施工開挖過程中拱頂、拱腰和底板位置的圍巖應力進行分析，根據監測的隧道圍巖應力和仿真模擬的圍巖應力進行對比分析，結果如下。隧道開挖是一個復雜的先加載后卸載的過程循環荷載易造成低強度圍巖發生屈服破壞，從而喪失穩定性隧道開挖卸荷效應表現：拱底最為明顯、拱頂次之、拱腰最弱主應力最大值出現在拱腰，在進行應力監控量測時首先應考慮拱腰部位。

本文針對全斷面開挖法、單側壁導坑開挖法、雙側壁導坑開挖法和臺階分步開挖法進行施工監控，對其過程中的圍巖應力、位移變形和錨桿的受力狀態進行分析研究。

各施工工法流程如下：

全斷面開挖法：隧道開挖-施做襯砌

單側壁導坑開挖法：開挖一號土體-施做襯砌-開挖二號土體-是做襯砌-開挖三號土體-施做襯砌-拆除臨空部分襯砌

雙側壁導坑開挖法：開挖一號土體-施做襯砌-開挖二號土體-是做襯砌-開挖三號土體-施做拱頂襯砌-開挖四號土體-施做襯砌-拆除臨空部分襯砌

臺階分步開挖法：開挖一號土體-開挖二號土體-開挖三號土體-施做襯砌-開挖四號土體-開挖五號土體-施做仰拱

3.1 開挖方法對圍巖應力的監測分析

按照上述施工工法經過監測圍巖應力變化出現如下情況：對于拱頂圍巖應力，發現左右分步開挖方法對應隧道拱頂圍巖應力最大；對于仰拱圍巖應力，發現上下臺階分步開挖法中仰拱易出現拉應力；對于拱腰圍巖應力，發現全斷面開挖法、單側壁導坑開挖法、雙側壁導坑開挖法三種開挖方式對σzz、σ1影響較小，臺階分步開挖法對應σxx、σ3最小。

根據現場監測數據顯示全斷面開挖法局部區域產生較小的拉應力；拱腰高應力區貼近開挖邊界。而上下開挖工法中拱腰圍巖高應力區離開挖邊界一定距離。左右開挖工法圍巖中存在拉應力分布區。

3.2 開挖方法對隧道變形的監測分析

利用位移計對隧道拱頂位移狀況進行監控，監控結果如下。全斷面開挖法、單側壁導坑開挖法、雙側壁導坑開挖法和臺階分步開挖法對應的拱頂監測位移（mm）分別為：34.3、25.3、24.2、35.3；拱頂總位移分別為：34.3、27.9、32、35.3。拱頂監測位移和總位移的比值為：100%、90.7%、75.6%、100%。從上述數據可見開挖方法對隧道變形的影響各不相同。拱頂總位移：從隧道截面開始開挖直至截面施工結束引起的拱頂圍巖總位移。包括拱頂還未開挖時，其它部位開挖對拱頂圍巖產生的擾動影響。拱頂監測位移：拱頂位置巖體開始開挖直至截面施工結束引起的拱頂圍巖位移。不包含前期其它位置開挖對拱頂位置巖體的擾動變形。一般認為，拱頂監測位移易通過相關設備監測，拱頂總位移中對應拱頂開挖前引起的先期位移較難通過洞內監測手段獲取。

對于全斷面開挖法：拱頂總位移與監測位移值相等；下沉主要在監測斷面開挖后產生；開挖后及時布設測點可獲取位移變化全過程值；單步開挖引起的位移較大，不及時支護容易出現塌方事故，因此相比更應加強監控量測。

對于臺階分步開挖法：拱頂總位移與監測位移值相等；下沉主要在監測斷面開挖后產生，在斷面開挖后及時布設測點可獲取位移變化全過程值；與其它方法相比，該法對應的總位移和監測位移均為最大。拱頂變形是逐步發展的，單步施工引起的位移變化量較小

對于單側壁導坑法：總位移大于監測位移；與其它開挖方法相比，該方法對應的拱頂總位移最??；拱腰部分開挖對拱頂圍巖變形影響大，監測到的位移-時間曲線不能代表全過程；在施作仰拱、拆除臨時支護時，拱頂變形出現回彈，分析監測數據時應注意這一變形特征。

對于雙側壁導坑法：總位移大于監測位移；與其它開挖方法相比，該方法對應的拱頂監測位移最??；拱腰部分開挖對拱頂圍巖變形影響大，監測到的位移-時間曲線不能代表全過程。

開挖方法對隧道變形的影響如下。全斷面開挖法的位移z方向最大位移發生在拱頂和仰拱，x方向最大位移發生在距離拱腳1/3h高度處；單側壁導坑法的位移z方向和x方向最大位移均發生在靠上臺階底部位置 雙側壁導坑法z方向和x方向最大位移發生在后開挖導坑臨時支護與拱腰相交的位置，隆起變形仍以仰拱位置最大；臺階分步開挖法對應隧道位移的變形規律與全斷面開挖法類似。

開挖工法對隧道變形的施工效應影響如下。上下臺階法對應的拱頂沉降最大，左右分步法最??；全斷面開挖方法：各開挖步引起的位移增量最大；上下臺階開挖方法：上臺階開挖引起的位移大于下臺階開挖引起的位移；左右開挖方法：兩個施工步引起的位移接近。測點位于掌子面后方一定距離處，左右分布開挖對應的拱頂累計沉降與最終沉降的比值最大，變形發展快，更易趨于穩定。

3.3 開挖方法對錨桿的受力影響

對于全斷面開挖法：拱腰部分錨桿受力較大，尤以靠近洞壁端受力最大，因此對于采用全斷面開挖法的隧道，監測錨桿內力時，應以監測拱腰錨桿靠近洞壁端受力為主。

對于單側壁導坑法：導坑位置錨桿受力較小，可不進行受力量測。但是上臺階底部位置錨桿受力較大，尤以遠離洞壁端部分最大，應適當加強監測。

雙側壁導坑法：側壁導坑開挖和導坑襯砌支護時，導坑錨桿受力較小，且變化量不大，因此可不進行錨桿受力監控量測。中間臺階上部土體開挖引起靠內壁臨時支護下方的錨桿內力增加近4倍，此時可結合實際對該部分錨桿進行觀測，直至斷面開挖結束。拆除臨時支護時，宜對臨時支護與拱頂相交位置附近的錨桿進行受力監測。

臺階分步開挖法：錨桿受力相對較小。必要時對先開挖側壁（土體2位置）底部錨桿靠近洞壁端進行受力監測。

4 結論

通過4種隧道開挖工況的監測分析得出位移變化情況，z向：變形持續增加，最后達到穩定，x向：變形相對較小，y向：變形先增加后減小。拱頂和仰拱以豎向變形監測為主，x方向位移在增加后出現減小的過程拱腰以監測水平向周邊收斂為主洞內監測數據一般無法反映前期施工對圍巖產生的擾動影響；洞外監測應提前布點，充分了解施工擾動效應。隧道圍巖應力中，Ⅲ級圍巖仰拱部分單元出現拉應力，對應值大于Ⅳ級圍巖中同位置單元應力。對于各級圍巖，主應力最大值均出現在拱腰，因此在進行應力監控量測時首先應考慮拱腰部位。

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作者簡介

馬云峰（1985-），男，漢，吉林白山人，博士研究生，研究方向：隧道防災減災。