王思 陶軍 薛凡

中國機械工業(yè)第二建設(shè)工程有限公司 湖北武漢 430000

隨著地下空間利用的發(fā)展趨勢愈發(fā)加快，基礎(chǔ)建設(shè)正在大規(guī)模的進行，為了進一步解決運輸成本高和時間長的問題，修建隧道是一個高性價比的解決方案。在一些淺埋隧道開挖過程中，為了不破壞隧道上方原有構(gòu)筑物的前提下，采用暗挖法對淺埋隧道進行施工是目前普遍采用的技術(shù)。但是在隧道施工過程中引起的地表沉降和圍巖的變形問題仍然是設(shè)計、施工人員和科研工作者普遍關(guān)注的問題，還未開挖的巖體處于應(yīng)力平衡無變形狀態(tài)，圍巖的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)隨著隧道開挖被破壞，圍巖經(jīng)過變形的過程使應(yīng)力達(dá)到再平衡。然而，圍巖的應(yīng)力分布和位移的變化也決定了圍巖的穩(wěn)定性及施工過程中的安全性，因此，研究圍巖變形控制量這一影響隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的重要因素，成為探究隧道開挖穩(wěn)定性的首要內(nèi)容。

1 單線隧道工程概況

海關(guān)監(jiān)管物流地下通道工程位于青島市藍(lán)村鎮(zhèn)泉東村東南約600m，通道結(jié)構(gòu)中心線位于5218樁號K144+200處，與現(xiàn)狀三城線交叉角度為63°。地下通道進口端起于青島國際陸港監(jiān)管物流中心南側(cè)，緊鄰5218省道，該處邊坡高差約12m，坡度一般62—75°，最大90°。地下通道總體走向呈西南向東北直線形，終點端90°轉(zhuǎn)彎穿出地面。其中明挖段長度為50m，暗挖段長度為76m，隧道平均覆土埋深約6m；K0+094—K0+170為暗挖段；主體結(jié)構(gòu)為三心圓拱型復(fù)合襯砌直墻結(jié)構(gòu)，隧道整體采用暗挖CRD工法逆筑施工，利用工字型鋼與鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土作為斷面開挖支護結(jié)構(gòu)，將整個斷面分洞室開挖[1]。

2 隧道模型的建立

2.1 隧道模型參數(shù)選取

根據(jù)青島青島海關(guān)監(jiān)管地下物流通道工程巖土勘察報告，有限元模型所處地層的巖土類型從上到下依次為第四系人工素填土(雜填土，以粘性土為主，含建筑垃圾等)粉質(zhì)粘土等、中風(fēng)化玄武巖以及微風(fēng)化玄武巖。不同巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1 不同地層力學(xué)參數(shù)

隧道開挖方式為CRD法暗挖，圍巖為中風(fēng)化玄武巖，圍巖等級為V級，隧道圍巖的力學(xué)特性及二次襯砌支護混凝土材料的力學(xué)參數(shù)見表2：

表2 圍巖與二襯力學(xué)參數(shù)

2.2 模型的假設(shè)

（1）模型中巖體假定為連續(xù)均勻性介質(zhì)，其整體變形在各個方向上具有同一性。

（2）將隧道模型簡化為彈塑性模型，圍巖受到塑性變形時遵從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

（3）為簡化模型計算，巖體的自身重力構(gòu)成隧道圍巖的初始應(yīng)力分布場，構(gòu)造應(yīng)力對圍巖的影響不在考慮范圍內(nèi)[2]。

2.3 模擬結(jié)果分析

利用有限元軟件對隧道開挖過程進行模擬，構(gòu)建三維模型。

圖1為隧道豎向位移云圖，從圖中可以看出在洞室開挖之后，拱頂附近的位移變形尤為突出，拱頂部位的豎向沉降值最大，數(shù)值計算獲得的模擬值為-7.4mm，現(xiàn)場實際監(jiān)測值為-6.2mm，隧道的拱腳處位移變形較拱頂附近稍晚，對比模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)兩者之間的差異，拱頂處的豎向變形在開挖完成后有減緩的趨勢，而拱腳處的變形加劇。在施作襯砌開始，拱頂?shù)淖冃芜M一步減小，與水平收斂較為相近，兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬值基本一致。

圖1 豎直方向變形圖

圖2為模型水平收斂位移云圖，從圖中可以看出圍巖水平收斂主要集中在拱腳和豎直拱墻處，隨著中隔壁支撐結(jié)構(gòu)的陸續(xù)拆除，隧道內(nèi)部拱形結(jié)構(gòu)承擔(dān)隧道的所有受力，拱腳所受的的圍巖應(yīng)力劇增，在應(yīng)力分布平衡后，拱腳處所受應(yīng)力有所減小，豎直拱墻受到兩側(cè)巖體的擠壓應(yīng)力而發(fā)生水平位移。在隧道二襯結(jié)構(gòu)澆筑成型之后，拱頂豎向位移與洞身水平收斂速率降低，隧道整體趨于穩(wěn)定。

圖2 水平方向收斂圖

3 圍巖拱頂下沉結(jié)果分析

由圖3分析可知：隨著開挖工作面的推進隧道圍巖拱頂沉降累計變化值先快速增長最后趨于穩(wěn)定，隧道在開挖前期沉降速率保持穩(wěn)定，在1.5mm/d左右，在開挖至K0+134.5斷面附近時隧道的拱頂沉降速率降低，這與實測變形規(guī)律一致。數(shù)值模擬所得到的拱頂累計沉降值為7.44mm，超過實測值的20%，此情況可能是由于在模擬計算時支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)換算過大導(dǎo)致，以及隧道在開挖過程中初襯結(jié)構(gòu)及時支護的原因[3]，導(dǎo)致隧道拱頂沉降實測值比模擬值小。通過對圍巖拱頂豎向位移實測數(shù)據(jù)進行分析可知：圍巖豎向位移在隧道橫截面輪廓線上沿徑向呈現(xiàn)近密遠(yuǎn)疏的分布規(guī)律，基于此規(guī)律可得處不同深度的圍巖豎向位移變形值也呈現(xiàn)明顯不同的趨勢，其中最大位移沉降量在隧道拱頂處，變形值由拱頂處向地表逐漸減小，仰拱和拱頂?shù)奈灰扑p規(guī)律較為一致，隧道圍巖的整體變形從拱頂開始向仰拱表現(xiàn)為非均勻分布，其中拱頂處的累計沉降值較實測值大，而腰拱處變形值較實測值小，分析其原因是由于在模擬隧道開挖過程與實際過程存在的差異性以及掘進過程中圍巖的應(yīng)力釋放快慢程度所引起的。

圖3 拱頂沉降隨里程變化曲線圖

圍巖凈空收斂結(jié)果分析。選取隧道橫斷面SL-1～SL-18所測得的水平收斂數(shù)據(jù)作為結(jié)果分析，每次選取距離開挖工作面4.5m的斷面進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。圖4為圍巖水平收斂實測值與模擬值隨里程變化曲線圖，結(jié)合隧道圍巖整體水平收斂變形分析可知：圍巖在隧道開挖前期穩(wěn)定性較差，其水平收斂變形值較大，待整體圍巖成型后，其收斂變形量趨于平緩，在仰拱施作完成之后，隧道整體形成一個穩(wěn)定的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，圍巖水平收斂進一步減小，其直觀反映表現(xiàn)在隧道圍巖應(yīng)力形成新的平衡，隧道趨于穩(wěn)定?？梢钥闯?，隧道圍巖的變形依次經(jīng)歷變形加劇、增長緩慢、保持穩(wěn)定。由圖4可以看出模擬值一直處于穩(wěn)定增長趨勢，而圍巖變形實測值在K0+107.5～K0+134.5出現(xiàn)與模擬值不同的情況，其主要原因在于開挖此區(qū)段的時候，整個工程處于雨季，降雨因素使得隧道開挖進度較為緩慢，此區(qū)段內(nèi)的隧道圍巖整體變形量呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，而隧道模型在計算時并未考慮降雨對隧道掘進的影響，故而在此區(qū)段出現(xiàn)兩種增長速度不同的曲線[4]。

圖4 隧道全斷面周邊收斂里程曲線圖

4 結(jié)語

通過提取基于CRD工法開挖單線淺埋隧道施工過程中拱頂豎向沉降、洞周水平收斂的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)，深入分析后得出以下幾點結(jié)論：

（1）通過對開挖后的地層位移和地表沉降值進行分析，發(fā)現(xiàn)地層位移最大值出現(xiàn)在隧道拱頂和仰拱處，應(yīng)注意對這部分的支護和監(jiān)測。

（2）根據(jù)實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比分析，隧道的拱頂沉降在斷面中心線正上方變形最大，地表處圍巖變形量最小，在仰拱未澆筑成型之前，拱腳的穩(wěn)定性和強度最低，拱腳處的水平收斂值處于較高水平，其收斂衰減最大處距開挖輪廓線較遠(yuǎn)，需要及時支護來控制圍巖變形[5]。

（3）數(shù)值分析所得的變形值大于實測數(shù)據(jù)，誤差在允許范圍內(nèi)，可能原因是不同地層損失率、內(nèi)摩擦角、隧道單位長度的理論體積取值存在一定的誤差。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果得知圍巖的沉降數(shù)值較小，處于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，是因為在隧道開挖過程中得到及時支護以及注漿加固，經(jīng)過應(yīng)力平衡再分配，使隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力保持平衡。