山嶺隧道超前加固三維模擬及變形控制規(guī)律研究

林 楠（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200092）

0 引 言

在軟弱圍巖內(nèi)進(jìn)行隧道開挖的過程中，復(fù)雜的圍巖特性致使隧道“支護(hù)-圍巖”相互作用表現(xiàn)出極強(qiáng)的不確定性[1-3]，隧道變形與破壞表現(xiàn)出明顯的時空效應(yīng)特性，易發(fā)生大變形等工程行為[4-5]。在此過程中，隧道超挖量、圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)體系安全難以預(yù)測和評價，常用的做法為通過綜合考慮圍巖的相對變形、強(qiáng)度應(yīng)力比及原始地應(yīng)力等參數(shù)，給出擠壓性圍巖隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)及控制方法[6-7]。因此，可以通過合理的手段，進(jìn)行圍巖變形及應(yīng)力等計(jì)算，由此評價隧道是否安全，并探究相關(guān)的控制措施。

為探討管棚等控制工藝對于軟弱圍巖區(qū)隧道沉降的控制機(jī)理，并分析施工順序和控制措施對于上述過程的影響，筆者以IV、V類圍巖隧道開挖為背景，通過PLAXIS軟件進(jìn)行三維開挖模擬，分析了有無管棚條件下隧道開挖全過程中變形發(fā)展規(guī)律的不同，提出了管棚施作區(qū)域及時機(jī)等科學(xué)化建議。

1 隧道開挖與加固工藝

在軟弱圍巖中的隧道開挖，常采用臺階分布開挖留核心土的施工工藝，并在開挖前進(jìn)行小導(dǎo)管或管棚超前支護(hù)，以保證施工安全，具體方法如下所述。

1.1 開挖步序及工藝

在IV、V類圍巖段，隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖，結(jié)合鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土形成錨噴支護(hù)，Ⅳ級圍巖破碎帶采用臺階法開挖，支護(hù)可采用工字鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土等形成初期支護(hù)，仰拱超前施作及時閉合形成穩(wěn)固的初期支護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)隧道周圍圍巖的天然承載能力，有效控制圍巖變形，使開挖支護(hù)過程中圍巖的受力及局部失穩(wěn)和破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定和平衡的狀態(tài)。依據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和襯砌混凝土?xí)r間。

圖 1 隧道開挖分區(qū)圖

如圖1所示，本次模擬的背景工程，以相隔32.5 m的兩個鄰近開挖面為研究對象，首先開挖關(guān)鍵斷面1的上臺階并支護(hù)，然后開挖核心土，接著開挖中臺階并進(jìn)行支護(hù)，隨后開挖下臺階并進(jìn)行支護(hù)，最后依次施作仰拱和二次襯砌結(jié)構(gòu)。開挖斷面2采用同樣的開挖順序，同時依據(jù)臺階法的施作要求，上、中、下臺階一直保持10 m以上間距，仰拱位于下臺階前1 m處，二次襯砌位于仰拱前10 m處。其中，當(dāng)上臺階開挖至關(guān)鍵斷面1前0.5 m處時，核心土開挖至上臺階前5 m，中臺階與上臺階保持10 m以上間距。在完成上、中、下臺階開挖及內(nèi)施做初期支護(hù)后，在中墻底部施做鎖腳錨桿。

1.2 超前管棚加固

在具體施工流程中，在Ⅳ級圍巖破碎帶，間隔0.4 m在圖2所示區(qū)域內(nèi)布置Φ108 mm×8 mm管棚進(jìn)行超前加固。施工前，以二襯外輪廓線以外30 cm畫出管棚中心線，從洞頂開始布孔，左右各19根，長度為30 m。鉆孔采用φ120 mm鉆頭，用潛孔鉆機(jī)鉆眼，施工順序從頂向兩側(cè)進(jìn)行。鉆孔完成后利用鉆機(jī)將外徑φ108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管（預(yù)先將前端制作成錐狀尖管，管壁四周鉆φ10 mm壓漿孔，間距15 cm，梅花形布置）頂入孔內(nèi)，施工時第一節(jié)鋼管采用3 m和6 m兩種長度的鋼花管，其余節(jié)數(shù)均采用6 m長的鋼花管，以保證同一截面接頭不超過50%。

圖 2 管棚加固范圍及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置圖

2 三維模型及參數(shù)選取

2.1 模擬方法

為模擬軟弱圍巖中采用管棚施工對變形控制的效果，進(jìn)而評價和保障隧道安全，采用PLAXIS軟件，建立如圖3所示的三維模型。模型中管棚區(qū)采用等效剛度法進(jìn)行模擬，并如圖4所示，連同錨桿分步進(jìn)行施加。

圖 3 三維數(shù)值模擬模型圖

圖 4 超前管棚加固示意圖

根據(jù)文明等[6]對參數(shù)建議，有限元模擬所采用的支護(hù)及圍巖概率參數(shù)選取如表1所示。

表 1 支護(hù)及圍巖參數(shù)取值表

2.2 實(shí)測對比

選取模擬斷面變形結(jié)果，以k9+912斷面為例，模擬結(jié)果先是開挖完成后沉降為16.4 mm，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，拱頂沉降16.2 mm。與實(shí)際符合，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 變形發(fā)展規(guī)律及控制措施

3.1 變形規(guī)律及控制效果

采用第三節(jié)所述模型對典型斷面開展開挖模擬，并分析在有無管棚的不同條件下，斷面沉降及開挖全過程變形的差異。斷面沉降數(shù)據(jù)及沉降變化趨勢，如表2和圖5所示。

圖 5 開挖全過程斷面沉降變化趨勢圖

表 2 斷面沉降數(shù)據(jù) 單位：mm

通過對比圖5所示各觀測點(diǎn)有無管棚的兩種情況變形發(fā)展規(guī)律，可明顯看出，采用管棚進(jìn)行加固時，對拱頂?shù)某两档目刂朴忻黠@的作用，其作用的形成有賴于整體管棚體系的形成。從模擬結(jié)果上看，管棚初期施作對于沉降控制作用較小，直至右-左-中整體管棚形成后，對變形的發(fā)展起到了良好的約束作用。

同時，從變形發(fā)展趨勢來看，變形發(fā)展最快時段為上臺階及核心土開挖階段，尤以核心土開挖階段最大，因此在核心土開挖前應(yīng)盡量完成管棚的施作。

3.2 安全控制措施

無中隔墻連拱隧道在施工中存在一定風(fēng)險，主要是后行洞靠中夾巖側(cè)圍巖的穩(wěn)定性較差，以及兩洞初期支護(hù)相連處的應(yīng)力較大。因此，在施工中應(yīng)采取如下安全控制措施。

（1）為保證后行洞夾巖側(cè)圍巖穩(wěn)定，在先行洞施工時也應(yīng)對該部位施作一些小導(dǎo)管，以增加該部位底端圍巖的穩(wěn)定性，而且該部位在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制縱向施工長度，同時增大兩洞相連處初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度。

（2）在設(shè)計(jì)時，考慮在隧道初支的局部襯砌位置加設(shè)鋼筋網(wǎng)及錨筋，施作時間為后行洞開挖后，以緩解初支結(jié)構(gòu)在后行洞開挖后應(yīng)力突增，達(dá)到保護(hù)隧道先行洞襯砌結(jié)構(gòu)的目的。

（3）無中隔墻連拱隧道初支的隧道頂部圍巖，受力復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，變形較大。計(jì)劃除按規(guī)范要求，沿隧道洞周徑向施作全長黏結(jié)型注漿錨桿外，對于不良地層初支頂部圍巖施作注漿小導(dǎo)管或管棚，加固頂部圍巖。

（4）為使鋼拱架更好地發(fā)揮作用，施工過程中應(yīng)盡量使左右洞初期支護(hù)中的鋼架處在同一斷面，且應(yīng)確保左右幅工字鋼連接處焊接牢固。同時，于后行洞開挖時，鋼拱架應(yīng)及時搭接，使初支形成一個受力整體。

（5）隧道左右幅壓力均集中于中間部位，針對上述情況，在施工過程中將著重把控隧道測中線頂部三角區(qū)域和拱腳底部的基地注漿措施，用以加強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力和基地承載力，減少隧道頂部巖體對隧道的壓力。隧道仰拱部位及時跟進(jìn)，做到早封閉，及時成環(huán)以分擔(dān)局部集中荷載。

4 結(jié)論與建議

本文針對軟弱圍巖中隧道開挖變形及安全控制難題，采用三維有限元方法，分析了有無管棚等加固方法條件下隧道開挖全過程變形發(fā)展的規(guī)律，并分析了有無加固對變形發(fā)展的影響，得到如下結(jié)論：

（1）管棚對變形的控制效果受其布置范圍影響，管棚施作初期對圍巖約束作用不強(qiáng)，對變形控制作用有限，當(dāng)管棚形成整體后，方能有效控制變形發(fā)展；

（2）上臺階及核心土開挖階段變形變化較大，在此之前應(yīng)完成管棚的施作。