基于施工過程的大斷面隧道變形動態釋放規律分析*

孫州

(1.上海同巖土木工程科技股份有限公司， 上海 200092；2.上海同巖公路養護工程有限公司， 上海 200092；3.上海地下基礎設施安全檢測與養護裝備工程技術研究中心， 上海 200092)

隨著高速公路的快速發展，大斷面隧道數量增多。國內外學者針對大斷面隧道開展了大量研究，如劉長祥等分析了大斷面隧道圍巖的變形過程；何昌國分析了大跨隧道合理預留變形量；單超等分析了大跨淺埋隧道偏壓段的橫向偏移規律；曹成勇等結合下穿高速公路大跨隧道，分析了隧道開挖的力學行為；李利平等分析了大斷面隧道圍巖的漸進破壞過程；呂志強結合東天山隧道，研究了大斷面隧道的開挖支護技術；郭軍等對大跨公路隧道進行了支護參數優化分析；伍國軍等結合施工過程，對淺埋大跨公路隧道進行了支護參數優化分析；蔡鑫等分析了附加荷載作用下大跨隧道的圍巖壓力和結構內力變化規律；王仁杰等進行了大跨隧道扁平率優化研究。上述研究多側重于大斷面隧道支護參數的優化。該文依托寧波將軍山隧道，開展大斷面隧道變形動態釋放規律研究，探索合理的支護施作時機，為類似工程提供參考。

1 工程概況

將軍山隧道沿線地形為中間高、兩端低，溝谷縱橫，風化強烈，山上植被茂盛，覆蓋層為第四系殘積土和坡洪積碎石、含礫石粉質黏土，下伏為全～微風化晚侏羅統西山頭組凝灰巖。隧道凈空斷面寬度為16.8 m，高度為10.85 m，高跨比為0.65，屬于大斷面隧道。

根據圍巖級別和隧道斷面情況，隧道Ⅴ級圍巖段采用復合式襯砌結構形式：初期支護為φ42×5雙排小導管，長5 m，縱向間距3 m，環向間距0.42 m；中空注漿錨桿長4.5 m，縱向間距0.5 m，環向間距1.0 m；噴射砼，第一層厚度為26 cm，采用I20b型鋼@0.50 m，第二層厚度為20 cm，采用φ25格柵拱架@0.50 m；二次襯砌采用C40砼，厚度55 cm。

2 計算模型與參數選取

2.1 建立模型

基于現場Ⅴ級圍巖段地質特征建立三維數值計算模型，超前小導管注漿加固采用實體單元模擬，錨桿采用Cable結構單元模擬，初期支護采用Shell結構單元模擬。隧道埋深約18 m，模型長、寬、高分別為180、100、55 m。左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束，上邊界為自由邊界。沿隧道縱向50～90 m處分別在拱頂、邊墻每隔20 m設置監測點。計算模型見圖1。

圖1 隧道計算模型(單位：m)

2.2 參數選取

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》，各級圍巖的力學參數見表1。

表1 圍巖的物理力學參數

初期支護結構彈性模量根據鋼筋砼計算原理采用等效截面計算，即將鋼拱架、格柵拱架彈性模量折算為噴射砼彈性模量。計算方法為：

E=E0+AgEg/Ac

式中：E為折算后砼彈性模量；E0為原砼彈性模量；Ag為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Ac為噴射砼截面積。

錨桿與圍巖之間采用摩擦接觸，圍巖與初期支護及初期支護與二次襯砌之間采用共節點模擬。錨桿等的力學參數見表2、表3。

表2 錨桿的力學參數

表3 鋼拱架等的力學參數

2.3 模擬工序

采用臺階法開挖，上臺階長度為15 m、開挖進尺為1 m，下臺階開挖進尺為3 m。臺階法計算模型見圖2。

圖2 臺階法計算模型

3 隧道變形動態釋放規律分析

3.1 拱頂沉降

不同監測點的隧道拱頂沉降隨開挖進尺的變化見圖3。由圖3可知：拱頂3個測點的沉降隨開挖進尺的釋放規律基本一致，均隨著開挖進尺的增加而逐漸增大，分為緩慢增長、快速增長、趨于穩定3個階段，距施工掌子面距離越近的測點，其沉降開始時間、穩定時間越早。隧道未開挖到監測斷面時，拱頂沉降為4 mm；隧道監測斷面上臺階開挖前，拱頂沉降釋放20%；下臺階開挖前，拱頂沉降為9.6 mm，釋放48%。根據《公路隧道施工技術規范》，二次襯砌施作應在變形基本穩定(位移達到總位移的80%～100%)后進行，二次襯砌施作時機建議距離開挖面42～60 m。

圖3 拱頂沉降隨開挖進尺的變化

拱頂沉降速度隨開挖進尺的變化表現為先增加后減小(見圖4)。以1號監測斷面為例，開挖距離該監測斷面越近，該斷面的沉降速率越大，開挖到該斷面時，沉降速率達到最大，為0.6 mm/m；之后隨著開挖距離的增大，沉降速度逐漸減小，最終趨于穩定，沉降值約20 mm。

圖4 拱頂沉降速度隨開挖進尺的變化

3.2 邊墻收斂

不同監測點的隧道邊墻收斂隨開挖進尺的變化見圖5。由圖5可知：3個測點左右邊墻收斂隨開挖進尺的變化規律一致，隨施工推進，邊墻收斂逐漸增大，收斂速度呈先增大后減小的趨勢。以1號監測點為例，開挖到達該監測斷面前，沉降速度逐漸增大，到達開挖斷面時，變形速率達到最大，為0.55 mm/m，收斂變形為1.25 mm。監測斷面上臺階開挖前，邊墻收斂釋放15.6%；下臺階開挖前，收斂變形為5.2 mm，邊墻收斂釋放65%；之后隨著開挖距離的增大，沉降速度逐漸減小，最后趨于零，隧道收斂變形為8 mm。

圖5 邊墻收斂隨開挖進尺的變化

3.3 錨桿軸力

隧道錨桿軸力分布見圖6。各部位錨桿軸力均為拉力，整體表現為邊墻和拱腰處錨桿軸力值大、拱頂和拱腳處錨桿軸力值小，斷面內錨桿軸力最大值位于左右邊墻位置，約45 kN。

圖6 中間斷面錨桿軸力分布(單位：N)

選取監測斷面內軸力最大的錨桿為監測錨桿，得到錨桿軸力隨開挖進尺的變化曲線(見圖7)。錨桿軸力的變化規律與拱頂沉降、邊墻收斂基本一致，隨著開挖進尺的增大而增大，但增大速度逐漸減小，最終趨于穩定，錨桿軸力穩定值約45 kN。錨桿有效控制了隧道周圍巖體的變形，起到了懸吊加固與抑制圍巖變形的作用。

圖7 錨桿軸力隨開挖進尺的變化

4 現場監測與分析

4.1 圍巖壓力分析

圍巖壓力的變化見圖8。由圖8可知：上臺階開挖后，圍巖壓力快速增加，隨著圍巖應力的重新分布，壓力有所降低，拱頂與右拱腰處壓力釋放較大，分別為43.6%、49.2%；下臺階開挖后，圍巖壓力繼續增加；二次襯砌施作后，各部位圍巖壓力逐漸趨于穩定。拱頂和右邊墻處圍巖壓力較大，最大壓力為150.2 kPa；左、右拱腰處的壓力較小，分別為84.1、92.9 kPa。隧道圍巖壓力分布整體呈對稱形式(見圖9)。

圖8 圍巖壓力隨開挖進尺的變化

圖9 圍巖壓力分布(單位：kPa)

4.2 錨桿軸力分析

錨桿軸力隨隧道開挖進尺的變化見圖10。由圖10可知：上臺階開挖后，錨桿軸力迅速增加，各部位錨桿處于受拉狀態，拱頂處錨桿軸力最大；下臺階開挖后，錨桿軸力變化不大，最大為33.1 kN(68.6 MPa)，相對于模擬值偏小，主要是因為隧道開挖到錨桿支護位置時圍巖已釋放一部分變形，錨桿施作相對滯后。錨桿軸力分布整體表現為錨桿中心軸力大、兩端軸力小(見圖11)，表明錨桿穿過了圍巖松動區，起到了懸吊加固與抑制圍巖變形的作用。

圖10 錨桿軸力隨開挖進尺的變化

圖11 錨桿軸力分布(單位：kN)

4.3 圍巖變形

拱頂沉降隨開挖進尺的變化見圖12。隧道上臺階開挖后，拱頂沉降逐漸增加，前期沉降速度較快，之后沉降速率逐漸減小，最后拱頂沉降穩定為6.5 mm。拱頂和拱頂左邊部分下沉量相對右邊較大，且略有波動，主要是由于距離掌子面較近，受到前方爆破震動的影響。下臺階開挖后，拱頂沉降增加2 mm，總體沉降約8 mm，相對于數值模擬結果偏小，原因是隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形、施作二次襯砌后沒有繼續監測圍巖變形。

圖12 拱頂沉降隨開挖進尺的變化

隧道凈空收斂的變化見圖13。隧道整體向內收斂，最大值為6.5 mm，相對于模擬值偏小19%，主要是因為隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形。

圖13 凈空收斂隨開挖進尺的變化

5 結論

(1) 沿隧道縱向，隧道變形隨開挖進尺的釋放規律基本一致，變形隨著開挖進尺的增加而增大，分為緩慢增長、快速增加、趨于穩定3個階段。上臺階開挖后變形釋放48%～65%，圍巖壓力釋放43.6%～49.2%。

(2) 隧道變形收斂、錨桿軸力實測值分別比模擬值減小19%、27%，主要是由于隧道開挖前圍巖已釋放一部分變形。監測數據表明各指標均處于穩定狀態。

(3) 隧道二次襯砌施作時機建議距離開挖面42～60 m。采用臺階法施工時，嚴格控制循環進尺、臺階長度等參數，從而確保圍巖的穩定。