分離式隧道圍巖支護(hù)體系穩(wěn)定性研究

黃斌才

（中鐵十六局集團(tuán)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(yè)中的推廣與應(yīng)用，在新奧法中現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地開(kāi)展施工場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)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(jì)算出圍巖穩(wěn)定性，保證支護(hù)以及襯砌的安全可靠，矯正之前的數(shù)據(jù)，重新規(guī)劃制定施工方案等給予原始依據(jù)，借此做到科學(xué)的設(shè)計(jì)，并有效提升其施工效益。同時(shí)隨著信息化的深入、巖土工程的理念以及經(jīng)驗(yàn)的積累，參數(shù)模擬在隧道建設(shè)的環(huán)節(jié)中更是受到了深入的運(yùn)用，這是由處理巖體結(jié)構(gòu)、圍巖以及支護(hù)彼此之間的互相作用、圍巖壓力狀況、圍巖應(yīng)力以及變形等所構(gòu)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(nèi)，起點(diǎn)在石牌鎮(zhèn)初坑村K142+840.000，終點(diǎn)止于三陽(yáng)村清羊山K150+100.000。其中K143+000=YK142+995.809，長(zhǎng)鏈 4.19 m；YK146+163.546=YK146+146，長(zhǎng)鏈3.546 m。因此隧道的總長(zhǎng)度為7.267 737 km。

本文結(jié)合三陽(yáng)隧道進(jìn)口段K147+990斷面來(lái)作為分析對(duì)象，上部Ⅴ層碎石土以及凝灰?guī)r的寬度在2.6～4.7 m；其圍巖的種類大多都是弱風(fēng)化凝灰?guī)r，總的來(lái)說(shuō)整體圍巖地質(zhì)不是很好，為Ⅴ級(jí)圍巖。

為提升該隧道施工質(zhì)量以及安全性，選用了新奧法來(lái)開(kāi)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(wǎng)，彼此之間間隔20 cm。詳細(xì)隧道斷面以及襯砌架構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道斷面與襯砌結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2 隧道圍巖-支護(hù)體系穩(wěn)定性判據(jù)

就隧道圍巖以及支護(hù)模式的自身安全與穩(wěn)定情況，各個(gè)國(guó)家之間的分析形式都有所差異，相對(duì)較為直接的是變量體現(xiàn)為相對(duì)位移、速率、時(shí)態(tài)曲線的特征等。工程開(kāi)始后其唯一時(shí)間的曲線能借助數(shù)值模擬設(shè)計(jì)以及監(jiān)控量測(cè)兩者融合的形式來(lái)確立，這是圍巖以及支護(hù)在力學(xué)角度上的一種直接反饋[1]。本文借助相對(duì)位移以及速率來(lái)作為判定標(biāo)準(zhǔn)，掌握之前隧道的大致地理特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)的工程標(biāo)準(zhǔn)以及資料，在明確該隧道周邊可承受相對(duì)位移數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）的前提條件下，用數(shù)值模擬以及監(jiān)控量檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展對(duì)于支護(hù)模式穩(wěn)定性的評(píng)定。

表1 三陽(yáng)隧道附近可承受范圍內(nèi)的相對(duì)位移表 %

3 數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型的建立

（1）因?yàn)樗淼乐休S方向的長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題當(dāng)作水平應(yīng)變來(lái)處理[2]。

（2）依照該隧道的實(shí)際尺寸以及塑性力學(xué)特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展類比，通常會(huì)選擇3～5倍的半徑來(lái)當(dāng)作分析區(qū)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?yàn)槠浣孛姹韺酉鄬?duì)平整，從工程應(yīng)力的角度上來(lái)考慮，其作用不是很明顯，所以依照水平表面來(lái)解決。隧道埋深依照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shè)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(shí)間的形變特征與其材質(zhì)上的特點(diǎn)，該模型選用彈塑性本構(gòu)體系來(lái)作為基礎(chǔ)，以摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)作為基礎(chǔ)[3]。

3.2 參數(shù)的選擇

依照數(shù)據(jù)構(gòu)建起來(lái)的準(zhǔn)則，在開(kāi)展分析的環(huán)節(jié)中，Ⅴ級(jí)圍巖以及上層風(fēng)化層的具體數(shù)據(jù)根據(jù)隧道和對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)來(lái)明確，最開(kāi)始的支護(hù)選用各種同性彈性模量以及參照數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程中不做二次襯砌的考慮。

就節(jié)理發(fā)育的巖體而言，常規(guī)的認(rèn)知是將錨桿當(dāng)作連接被破壞圍巖的一種形式；但從力學(xué)角度來(lái)看，其主要作用就是強(qiáng)化巖體的綜合強(qiáng)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(lái)進(jìn)行分析。

4 開(kāi)挖過(guò)程模擬

依照實(shí)地施工狀況與分析模擬的要求，隧道的開(kāi)挖借助先左后右、由上及下的順序來(lái)進(jìn)行。

在實(shí)際的支護(hù)時(shí)，運(yùn)用null模型進(jìn)行模擬挖方，借助各個(gè)方向的同性彈性模型以及變化最開(kāi)始時(shí)期支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)來(lái)擬定隧道的早期支護(hù)；在開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)值模擬的環(huán)節(jié)時(shí)，就隧道左洞附近的位移大小來(lái)開(kāi)展，監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)是在左側(cè)墻、右側(cè)墻以及拱頂處（見(jiàn)圖2）。

圖2 隧道開(kāi)挖工序

5 監(jiān)控量測(cè)及結(jié)果分析

5.1 監(jiān)控量測(cè)

依照FLAC的分析數(shù)據(jù)結(jié)論，大致選取左洞K151+700斷面來(lái)開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)，其區(qū)域大致包含有底部、右拱腰以及左、右拱腳這四處，其過(guò)程嚴(yán)格遵守對(duì)應(yīng)的法律法規(guī)要求。在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)30 d的觀察數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)描繪出位移-時(shí)間圖[4]。

5.2 結(jié)果分析

（1）回歸分析。根據(jù)施工量測(cè)取得的結(jié)果存在一定程度上的離散性質(zhì)，其中包括有偶然誤差的作用。在隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果論證的環(huán)節(jié)中，最關(guān)鍵的就是處理好u與t之間的關(guān)聯(lián)，也就是借助u=f（t）的函數(shù)模型來(lái)繪制出時(shí)間-位移圖，并將其離散點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的整合。因?yàn)闇y(cè)量的數(shù)據(jù)存在誤差以及干擾的情況，所以制作出來(lái)的圖像是不規(guī)則的；其應(yīng)力u隨著t數(shù)值的提升而增多。本文借助的非線性回歸方程作為其函數(shù)模型：Y=A（1-e-bx）。

借助數(shù)據(jù)可算出其函數(shù)是Y=5.167（1-e-0.2859x），這個(gè)函數(shù)的回歸性分析的系數(shù)為R=99.05%，其檢測(cè)的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)標(biāo)，說(shuō)明該隧道的拱頂圍巖沉降的最后數(shù)字是5.167 mm。

（2）檢測(cè)數(shù)值同數(shù)字模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。把數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)和檢測(cè)的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)圖像中，以此來(lái)繪制出時(shí)間-位移圖（見(jiàn)圖3）。通過(guò)比對(duì)，不難看出兩者之間基本處于一致的狀態(tài)。在隧道開(kāi)始挖方時(shí)，拱頂?shù)某两甸_(kāi)始出現(xiàn)較大的變化；在上臺(tái)階支護(hù)工作完成后，其變形的速度降了下來(lái)，但伴隨著隧道的持續(xù)進(jìn)行，拱頂?shù)某两邓俣纫彩艿搅艘欢ǔ潭鹊挠绊?，?gòu)成一種波浪形的曲線；在過(guò)程結(jié)束后，其在支護(hù)阻力的影響下開(kāi)始逐漸穩(wěn)定下來(lái)[5]。

從最后的位移距離上出發(fā)來(lái)研究，模擬數(shù)據(jù)要略大于檢測(cè)數(shù)據(jù)，主要是由于數(shù)值模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮二次襯砌體系的作用；從相對(duì)位移的角度出發(fā)，挖方工作開(kāi)始后，雖說(shuō)在拱腰以及邊墻出現(xiàn)了其所對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)，但對(duì)應(yīng)收斂的最大數(shù)據(jù)只有0.07%，要比附近可承受的相對(duì)位移數(shù)值小很多。根據(jù)以上的分析可知，該隧道的安全系數(shù)相對(duì)較高，其支護(hù)模式較為可靠；但其采用的支護(hù)數(shù)值還是相對(duì)保守了一些，在條件允許的前提下可下調(diào)其支護(hù)的數(shù)據(jù)。此外還可以適度地推延支護(hù)工作的開(kāi)始時(shí)間，這樣一來(lái)就可將圍巖的松動(dòng)壓力全面釋放出來(lái)。

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與回歸分析曲線對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，借助對(duì)先前隧道開(kāi)挖支護(hù)開(kāi)展數(shù)據(jù)模擬與施工量測(cè)數(shù)值的全面剖析，可總結(jié)出下面幾個(gè)結(jié)論：

（1）有限差分?jǐn)?shù)值模擬數(shù)據(jù)表明，隧道周?chē)绑w兩端到邊墻周邊有著范圍較大的塑性區(qū)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(xiàn)在拱底部分，下沉的數(shù)值是5.17 mm，而仰拱的極限隆起數(shù)值是4.91 mm。

（2）就監(jiān)控量測(cè)的數(shù)值開(kāi)展非線性回歸討論，獲取各個(gè)地點(diǎn)的時(shí)間-位移圖，并研究圖像特征，與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)開(kāi)展對(duì)比。對(duì)比之后可以得出，相對(duì)收斂值的極限數(shù)據(jù)要比其附近可承受的位移量高出很多，隧道的安全儲(chǔ)備相對(duì)較多，得出該隧道的支護(hù)模式相對(duì)較為穩(wěn)定。

（3）借助有限差分?jǐn)?shù)值模擬以及回歸分析兩者融合的形式來(lái)分析其支護(hù)模式的穩(wěn)定性質(zhì)以及可靠性，可為該隧道的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)帶來(lái)理論技術(shù)層面上的支持。