深埋高速公路隧道臺階法開挖中圍巖變形特征研究

2023-12-29 00:00:00吳耀宗陳文宇陳行郭治岳

四川建筑 2023年3期

摘要：為研究深埋復雜地質條件下，高速公路隧道的開挖變形機理，以綿九高速公路邊家坪隧道為研究對象，采用數值模擬方法，對深埋高速公路隧道臺階法開挖中圍巖的變形特征進行研究，并選用合理的回歸函數進一步反映圍巖的變形特性，得到了有關結論：（1）深埋公路隧道臺階法施工過程中，隧道拱頂沉降和水平收斂值隨著圍巖等級增加，均有較大變化，且下臺階水平收斂值和速率也大于上臺階水平收斂值和速率，特別是拱腳位置是控制變形關鍵處；（2）對比先后開挖隧道，拱頂下沉和水平收斂進行回歸分析可知，當Ⅳ和Ⅴ級圍巖分別開挖到第19 天和26 天時，隧道和初期支護初步達到穩定，可進一步施作二襯；選用合適的回歸分析函數，能較好地反映數據的變化規律，且能有效預測最終沉降值，為后期設計與施工提供數據支持。

關鍵詞：深埋隧道；高速公路隧道；數值模擬；圍巖變形；監控量測；回歸分析

中國分類號：U456.3+1A

［定稿日期］2022-04-07

［作者簡介］吳耀宗（1985—），男，碩士，工程師，主要從事隧道工程監控量測、地址超前預報和質量檢測、定期、專項檢測及病害處治設計工作。

0 引言

隨著國內公路隧道的大力建設，相關的施工技術也快速地提升。傳統的隧道施工技術因為工藝的落后而造成了材料的浪費，且效果也不理想［1］。在大量的實踐和探索中，新奧法孕育而生，這種早封閉和勤量測的手段，能有效抑制圍巖的變形，在現場施工過程中的監控量測就是獲得圍巖在受到開挖影響后的變形信息，從而反饋并運用于隧道的有關設計與施工，保證了隧道施工的安全［2-4］。國內相關學者對監控量測技術做出了一系列研究。代高飛［5］對崇遵高速公路風梅埡隧道實施了監控量測，準確的確定了合理的二襯施作時間，對工程的安全性和質量等都起到了作用；鐘宇健等［6］通過現場監控量測和有限元模擬，對淺埋偏壓隧道的施工工藝和支護參數等進行了調整，為相關工程的圍巖變形監測提供了參考價值；關玲［7］運用ANSYS有限元軟件，結合具體工程，對比分析了在臺階法和全斷面開挖法下高速公路隧道圍巖的穩定性，有關結果表明：臺階法施工能有效減小圍巖位移，在初期支護時能對圍巖位移進行有效控制。

這些研究大多基于實際工程采用現場監測技術，對圍巖變形進行監控量測，預測出二襯的合理施作時間，但未進行系統研究與歸納總結。本文結合現場臺階法施工隧道工程案例，采用大型有限元軟件，對不同圍巖條件下隧道圍巖變形特性進行研究，并選用合理的回歸函數來進一步反映圍巖的變形特性，從而指導后期隧道的設計與施工，保證隧道的安全性與經濟性。

1 工程項目情況

G8513線九寨溝（川甘界）至綿陽段高速公路隧道，位于四川盆地西北部。邊家坪隧道位于平通河左岸，表層為含碎石粉質黏土覆蓋，隧道為分離式隧道，公路等級為雙向四車道高速公路，設計時速80 km/h。隧道洞身穿越圍巖等級為Ⅳ和Ⅴ級，其巖性為地層之絹云千枚巖，并夾雜層狀泥質灰巖。隧道寬度12.48 m，高度10.37 m，采用臺階法施工，進尺2 m，初期支護厚度0.26 m，錨桿3 m，間距0.6 m。布置見圖1。

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用大型有限元軟件建立深埋隧道三維數值模型，如圖2（a）所示。模型長、寬和高分別取140 m、20 m和120 m，隧道埋深取180 m，其中145 m土層以外部荷載形式施加在模型頂部［8］。兩隧道凈距為30 m，初期支護采用噴射混凝土、錨桿、鋼拱架和鋼筋網等聯合支護形式。錨桿縱向間距取2 m，有關隧道模型如圖2（b）所示。模型左右約束水平位移，底部約束水平和豎向位移，上部為自由邊界。

2.2 計算參數選取

此處考慮隧道處于Ⅳ和Ⅴ級圍巖中，結合土體彈塑性特征，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，初期支護采用C25混凝土，22 mm砂漿錨桿，有關土層和支護參數見表1。

2.3 方案設計與測點布置

2.3.1 方案設計

選取隧道穿越Ⅳ和Ⅴ級圍巖作為方案對比，研究在不同圍巖級別下深埋隧道的圍巖變形特征，針對有關結論進行分析，并提出相關控制措施與建議。此處為了對比不同圍巖條件下隧道的圍巖變形特征，僅改變圍巖參數，隧道開挖方式、進尺等都一致。模型中先開挖右隧道，再開挖左隧道，以符合實際施工步序。

2.3.2 測點布置

拱頂下沉和水平收斂測線的布置應在同一斷面上，這里以臺階法為例，拱頂下沉測點應布置在隧道軸線附近，間距為2.5 m，且要保證對稱性，如圖3（a）所示。水平收斂測點應布置在開挖斷面拱腳處，在臺階開挖線上1.5 m位置，如圖3（b）所示。

3 結果分析

隧道拱頂下沉和水平收斂在一定程度上可反映圍巖穩定狀態，掌握圍巖變形發展規律對評估隧道整體安全性和確定二襯合理施作時間具有重要意義。及時對監控量測數據進行整理與分析有利于較好的把握施工過程中圍巖的變化情況，可為變更圍巖級別、變更設計方案及施工工藝提供重要依據。本文回歸分析方法采用指數分析法、對數分析法和雙曲線分析法。

3.1 隧道拱頂下沉

圖4（a）為不同圍巖下隧道拱頂下沉，由圖可知，不同圍巖下同一隧道的拱頂下沉值具有相同的規律，均隨著開挖時間的增大而增加，但不同時間段的變化規律不同。不同圍巖下右隧道拱頂下沉在0～10 天時間內具有較大的沉降，沉降量占到了總沉降量的86.06%（Ⅳ級圍巖）和83.83%（Ⅴ級圍巖）。從13 天左隧道開挖開始，左隧道拱頂沉降急劇增加，開挖結束后，總沉降量與右隧道相等，達到0.021 m（Ⅳ級圍巖）和0.033 m（Ⅴ級圍巖）。巖土工程與地下工程吳耀宗，陳文宇，陳行，等：深埋高速公路隧道臺階法開挖中圍巖變形特征研究圖4（b）為不同圍巖下隧道的拱頂下沉速率，由圖可知，隨著右隧道開挖，右隧道的拱頂下沉速率是逐漸減小的，右測隧道初始拱頂下沉速率達到了0.009 m/d（Ⅴ級圍巖）和0.005 6 m/d（Ⅳ級圍巖）。在第13天開挖左隧道時，左隧道拱頂下沉速率達到了峰值0.009 4 m/d（Ⅴ級圍巖）和0.005 8 m/d（Ⅳ級圍巖），分別較右隧道開挖時增大了4.44%（Ⅴ級圍巖）和3.57%（Ⅳ級圍巖）。

3.2 隧道水平收斂

圖5（a）和圖5（b）分別為Ⅳ級圍巖條件下隧道的水平收斂和水平收斂速率。由圖5（a）可知，同一隧道上下臺階的水平收斂趨勢相同。在右隧道開挖時，下臺階水平收斂值整體要大于上臺階水平收斂值。對于左隧道，在0～12 天內，水平收斂值變化不大，在13 天時出現了急劇變化，左隧道水平收斂值均有大幅提升，下臺階水平收斂值明顯大于上臺階，較后者增大了0.002 1 m，為后者的157%。

由圖5（b）可知，Ⅳ級圍巖下右隧道的水平收斂速率最大值出現在剛開挖時刻，上、下臺階最大水平收斂速率分別為1.6 mm/d和1.55 mm/d，兩者相差不大。隨著時間的增大，水平收斂速率逐漸減小，在10 天后趨于零。在13 天時，左隧道水平收斂速率出現突變，下臺階水平收斂速率增長最快，達到了2.09 mm/d，較上臺階增大了0.75 mm/d。

如圖5（c）和（d）分別為Ⅴ級圍巖條件下隧道的水平收斂圖和水平收斂速率圖。可知，Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖下隧道的水平收斂規律相似，不同的是，左、右隧道上臺階水平收斂值僅在剛開挖的第13 天（左隧道）和第1 天（右隧道）大于下臺階，其后的時間均小于下臺階的水平收斂值。總體上，下臺階開挖造成的隧道水平收斂速率要明顯大于上臺階開挖的水平收斂速率，其大小分別為：右隧道下臺階gt;左隧道下臺階gt;左隧道上臺階≈右隧道上臺階。

通過對比Ⅳ、Ⅴ級圍巖下隧道的水平收斂和水平收斂速率可知，隨著圍巖等級的增加，相應的隧道水平收斂值和水平收斂速率都會增大，且下臺階水平收斂值和速率也相應要大于上臺階水平收斂值和速率。

3.3 回歸分析

對圍巖變形曲線進行回歸分析有利于預測可能出現的最大值及最大速率，有利于掌握圍巖的位置變化規律。采用3種回歸分析方法對右隧道拱頂下沉和水平收斂進行分析，得到表2、表3，并將回歸函數與原始數據繪制成如圖6所示。

圖6（a）和圖6（b）為Ⅳ、Ⅴ級圍巖下右隧道的拱頂下沉回歸分析，結合表2可知， Ⅳ和Ⅴ級圍巖條件下右隧道拱頂沉降的回歸相關系數均有，雙曲線回歸契合度最大，故選擇雙曲線回歸函數。由于雙曲線回歸函數不收斂，故無法預測其最終變形量，根據大量施工經驗可知，當圍巖連續一周變化速率小于0.2 mm/d時，可將雙曲線回歸函數的預測值作為最終沉降值［9］。通過分析，Ⅳ、Ⅴ級圍巖下右隧道的最終沉降會分別達到0.02 m和0.032 m。而在Ⅳ級圍巖第16 天時，右隧道拱頂沉降量達到0.019 m，是總沉降量的95%，對公式求導可得，在第16 天，Ⅳ級圍巖下右隧道的拱頂沉降速率分別為0.19 mm/d。同理可知，在Ⅴ級圍巖第21 天時，右隧道拱頂沉降量達到0.031 m，是總沉降量的96.88%，對公式求導可得，在第21 天，Ⅴ級圍巖下右隧道的拱頂沉降速率為0.19 mm/d。由此可知， Ⅳ、Ⅴ級圍巖右隧道分別在開挖16 天和23 天后，右隧道拱頂下沉值趨于穩定。

圖6（c）和圖6（d）為Ⅳ級圍巖下右隧道的水平收斂回歸分析，結合表2可知，Ⅳ級圍巖條件下右隧道上臺階水平收斂的回歸相關系數有，指數回歸契合度最大，故這里選擇指數回歸函數；下臺階水平收斂的回歸相關系數有，雙曲線回歸契合度最大，故這里選擇雙曲線回歸函數。通過分析，Ⅳ級圍巖下右隧道的上、下臺階水平收斂最終會分別達到4.77 mm和4.95 mm。而在Ⅳ級圍巖下右隧道上臺階水平收斂值在第17 天達到4.68 mm，是總收斂值的98.11%。對公式求導可得，在第17天，Ⅳ級圍巖下右隧道上臺階的水平收斂速率為0.184 mm/d。同理可知，而在Ⅳ級圍巖右隧道下臺階水平收斂值在第20 天達到4.89 mm，是總收斂值的98.79%，收斂速率為0.18 mm/d。由此可知， Ⅳ級圍巖上、下臺階右隧道水平收斂值分別在開挖17天和20天后趨于穩定。

圖6（e）和圖6（f）為Ⅴ級圍巖下右隧道的水平收斂回歸分析，結合表2可知，Ⅴ級圍巖條件下隧道上、下臺階水平收斂回歸相關系數均有，雙曲線回歸契合度最大，故這里選擇雙曲線回歸函數。通過分析，Ⅳ、Ⅴ級圍巖下隧道的最終水平收斂會分別達到0.026 m和0.031 m。而在Ⅳ級圍巖第17 天時，隧道水平收斂達到0.025 m，是總沉降量的96.15%，拱頂沉降速率為0.185 mm/d。同理可知，在Ⅴ級圍巖第26天時，隧道拱頂沉降量達到0.030 m，是總沉降量的96.8%，拱頂沉降速率為0.193 mm/d。由此可知，Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道分別在開挖17天和26天后，隧道拱頂下沉值趨于穩定。

綜上所述，當Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別開挖到第19 天和26 天時，隧道和初期支護初步達到穩定，可進一步施做二襯。

4 結論

以邊家坪隧道為工程背景，結合數值模擬方法，對不同圍巖條件下隧道圍巖變形特性進行研究。選用合理的回歸函數來進一步反映圍巖的變形特性，得到了有關結論：

（1）隧道開挖拱頂在前10 天內有較大沉降，后期變化幅度較小，并趨近于0；后開挖隧道（左隧道）和先開挖隧道（右隧道）的最終沉降量都趨近一致，但隧道的沉降速率略有不同。左隧道的沉降速率峰值要較右隧道增大4.44%（Ⅴ級圍巖）和3.57%（Ⅳ級圍巖）。

（2）隨著圍巖等級的增加，相應的隧道水平收斂值和水平收斂速率都會增大，且下臺階水平收斂值和速率也相應要大于上臺階水平收斂值和速率。

（3）選用合適的回歸分析函數，能很好的反映數據的變化規律，且能有效預測最終沉降值，對后期設計與施工提供數據支持。

（4）當Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別開挖到第19 天和26 天時，隧道和初期支護初步達到穩定，可進一步施作二襯。

參考文獻

［1］關寶樹.漫談礦山法隧道技術講座——后語［J］.隧道建設，2017，37（3）：275.

［2］韓樂. 高速公路隧道施工監控量測技術應用研究［D］.西安：長安大學，2019.

［3］朱寶合，戴亦軍.開挖技術對隧道圍巖穩定性數值模擬分析［J］.公路，2020，65（2）：316-319.

［4］俞凡，高筠涵，施劭矗，等.深埋軟弱圍巖隧道初支變形及破壞特性模型試驗研究［J］.公路，2020，65（3）：313-318.