粗面花崗質(zhì)混合巖地層大斷面隧道施工變形規(guī)律及預留變形量研究

楊澤平　陳峰賓

摘要：目前隧道預留變形量通常根據(jù)工程類比法進行設置，缺乏聯(lián)系實際的理論指導極易造成資源浪費。針對深埋硬巖隧道的變形特點，以某粗面巖、花崗混合巖大斷面隧道為工程依托，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場實測等手段對隧道變形規(guī)律進行分析，優(yōu)化隧道預留變形量。結(jié)果表明，新的方案能夠很好的運用到該工程中，在一定程度上節(jié)省了開支，加快了工程進度。

關鍵詞：變形規(guī)律;預留變形量;數(shù)值模擬;現(xiàn)場試驗

分類號：U25

引言

目前，我國山嶺隧道修建普遍采用新奧法進行修建，新奧法把圍巖當做支護結(jié)構(gòu)的基本部分，和支護結(jié)構(gòu)共同承載，積極貫徹“允許圍巖有適量的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力”。因此，預留變形量設置在新奧法中施工有著至關重要的作用。通常，隧道設計和施工一般是根據(jù)工程類比法確定[1]，預留變形量設置過小，圍巖易侵限，造成初期支護、二襯厚度不足或隧道凈空不滿足設計要求;預留變形量設置過大，隧道開挖量增大，支護結(jié)構(gòu)厚度增加，造成工期延誤和造價增加。本文以某粗面巖、花崗混合巖Ⅳ、Ⅴ級地層隧道為例，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場實測方法，對粗面巖、花崗混合巖Ⅳ、Ⅴ級深埋隧道預留變形量設置進行優(yōu)化，為類似工程提供建議和參考。

1工程概況

某隧道設計為單洞雙線隧道，起訖里程為DK30+425～DK43+399，設計長度12.974km，共設置4座輔助坑道，1號斜井長667m，2號斜井長896m，3號斜井長1420m，4號斜井長585m。隧址區(qū)地層巖性主要為：

1）侏羅系上統(tǒng)張家口組（J3z）噴出巖，為一套酸性及中偏堿性的火山噴出巖，主要巖性有粗面巖、流紋巖、凝灰質(zhì)礫巖及粗面安山巖。2）燕山早期（γ5z）花崗巖，強-弱風化狀態(tài)。3）太古界桑干群化家營組（Arh）花崗質(zhì)混合巖，強-弱風化狀態(tài)。

2圍巖變形規(guī)律

圍巖的變形量是指隧道開挖之后，圍巖因失去約束而產(chǎn)生向坑道方向的收縮變形。圍巖變形量在監(jiān)測項目中為拱頂沉降與周邊收斂。一般而言，圍巖開挖后的總變形量μ包含隧道開挖前的超前變形μf、掌子面開挖后到量測工作開始前的變形μi及量測期間得到的累計變形μm等三部分，如圖1所示，對隧道工程而言，最為可靠且可以利用的就是第三部分監(jiān)測變形量。預留變形量設置包含μm與μi兩部分，意在使圍巖變形穩(wěn)定后，剛好達到設計輪廓線位置，如此進行二襯施工，即節(jié)約材料又能保證襯砌質(zhì)量。

3數(shù)值模擬分析

本模型采用FLAC3D有限差分軟件來進行模擬，計算模型選取隧道兩側(cè)90m的巖體作為研究對象。模型沿隧道掘進方向（y軸方向）取360m，沿巖體深度方向（z軸方向）取160m。采用深埋隧道計算模型，模型所有面約束法向自由度，如下圖。

（1）計算基本假定

（a）假定各巖層均勻分布，地層服從摩爾庫倫屈服準則，不考慮爆破振動對地層變形的影響;（b）初期支護施做前，地層應力釋放率按35%考慮;初期支護和二襯荷載分擔比按7：3進行計算;（c）不考慮噴射混凝土齡期對初期支護效果的影響;（d）不考慮地下水的影響。

（2）算參數(shù)

（3）計算結(jié)果分析

由圖3可知，IV級圍巖開挖后，隧道上下部分圍巖豎向變形較大，且對稱分布。拱頂變形表現(xiàn)為下沉，最大量值為17.8mm;拱底變形表現(xiàn)為隆起，最大量值為28.2mm。圍巖在水平方向上將產(chǎn)生向洞內(nèi)的水平收斂，主要集中在邊墻位置，最大量值為20.3mm。由圖4可知，Ⅴ級圍巖開挖后，隧道上下部分圍巖豎向變形較大，且對稱分布。拱頂變形表現(xiàn)為下沉，最大量值為26.7mm;拱底變形表現(xiàn)為隆起，最大量值為31.8mm。圍巖在水平方向上將產(chǎn)生向洞內(nèi)的水平收斂，主要集中在邊墻位置，最大量值為37.1mm。IV、Ⅴ級圍巖，變形大致分為3個階段，第一階段為急速變形階段，隧道開挖1～7天，此時間段隧道圍巖變形劇烈，拱頂沉降速率較大。第二階段為過渡變形階段，隧道開挖后8～15天左右，此時間段內(nèi)拱頂下沉速率相對第一階段明顯減小。第三階段為穩(wěn)定收斂階段。隧道開挖后16天后，由拱頂下沉位移開始趨于收斂，下沉速率近似為零。

4實測數(shù)據(jù)分析

4.1圍巖時程變形曲線分析

本文著重對隧道周邊收斂和拱頂下沉結(jié)果進行分析，測點布置如圖5、圖6所示。

拱頂下沉和周邊收斂采用非接觸式量測，采用高精度徠卡全站儀TS09Plus測量，量測斷面布置和量測頻率按照相關規(guī)范要求進行。

本文共統(tǒng)計該隧道IV級圍巖段9個斷面數(shù)據(jù)進行分析研究，即DK32+314～DK32+384，斷面拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測曲線如圖7、圖8所示。

由圖7～圖6可知，典型監(jiān)測斷面變形規(guī)律類似，即隨著時間的推移，沉降速率和收斂速率逐漸趨于減少，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

從變化曲線來看，洞口段監(jiān)測段斷面從15d左右沉降速率逐漸降低，隧道圍巖趨于穩(wěn)定。

IV級圍巖拱頂沉降一般在14mm以內(nèi)，周邊收斂一般在30mm以內(nèi)。V級圍巖拱頂沉降一般在20mm以內(nèi)，周邊收斂一般在13mm以內(nèi)。

4.2圍巖累計變形統(tǒng)計分析

為總體反映某隧道正洞圍巖的變形情況，統(tǒng)計了自開工以來，正洞Ⅳ、Ⅴ級圍巖的累計變形數(shù)據(jù)，Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別統(tǒng)計220個、183個量測斷面，統(tǒng)計總斷面數(shù)占全隧正洞設計斷面數(shù)的95%以上。

依據(jù)以上Ⅳ級圍巖累計拱頂沉降和凈空收斂統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，15mm以內(nèi)的量測斷面占總量測斷面的90%以上，25mm以內(nèi)的量測斷面占總量測斷面的95%以上。Ⅳ級圍巖極個別量測斷面拱頂沉降和凈空收斂累計沉降最大值達40mm。

依據(jù)以上V級圍巖累計拱頂沉降和凈空收斂統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，30mm以內(nèi)的量測斷面占總量測斷面的75%以上，50mm以內(nèi)的量測斷面占總量測斷面的95%以上。V級圍巖極個別量測斷面拱頂沉降和凈空收斂累計沉降最大值達60mm。結(jié)合實際情況，同時考慮超挖帶來的成本損失，針對粗面巖、花崗混合巖硬巖IV級圍巖當預留變形量取40mm較為合適，V級圍巖當預留變形量取60mm較為合適。

5結(jié)語

本文首先采用數(shù)值分析和現(xiàn)場實測，對粗面巖、花崗混合巖硬巖隧道，通過對比分析，主要結(jié)論如下：（1）通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可以看出，實測拱頂下沉量和邊墻收斂量與有限元結(jié)果基本一致，整體規(guī)律性相似，總體量值較小。（2）同時考慮位移損失，針對粗面巖、花崗混合巖硬巖IV級圍巖當預留變形量取40mm較為合適，V級圍巖當預留變形量取60mm較為合適。