熊遠(yuǎn)勛，李紹聰，李小剛，楊興偉，冉華，李金磊

(云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650118)

隧道越長(zhǎng)，其穿越不同地質(zhì)地貌的單元越多，常會(huì)碰到不良地質(zhì)體、破碎帶等。隧道穿越淺埋段時(shí)，由于開挖擾動(dòng)和開挖形成的三帶直接連通地表，稍有不慎，將引起上覆巖體移動(dòng)和變形，甚至引起隧道塌方和失穩(wěn)。因此，研究隧道上覆巖體的移動(dòng)變形規(guī)律對(duì)控制其移動(dòng)有著十分重要的意義。該文以跨度為18 m的淺埋大斷面泥巖隧道為工程背景，通過理論分析隧道開挖引起上覆圍巖移動(dòng)機(jī)理，利用數(shù)值分析方法分析不同施工工法和施工錯(cuò)距下上覆圍巖的位移變形規(guī)律，據(jù)此提出控制上覆巖體變形的措施，為類似工程提供參考。

1 開挖引起上覆巖體的移動(dòng)變形機(jī)理

從微觀角度思考，將一次隧道開挖量分解為無限多個(gè)1×1×1的單元體，即將復(fù)雜的巖土體運(yùn)動(dòng)分解為無限多個(gè)單元體的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論分析巖土體總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即將隧道開挖對(duì)上覆巖體的影響等效為無限多個(gè)微分單元開挖影響的總和(見圖1)。

圖1 單元開挖示意圖

1.1 單元開挖引起的上覆巖體移動(dòng)規(guī)律

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，將因單元開挖引起的上覆巖體的豎向位移形成的沉降槽定義為單元沉降槽，該方向的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)概率事件，當(dāng)隧道開挖量足夠大時(shí)，上覆巖體會(huì)發(fā)生豎向位移。同時(shí)引入時(shí)間效應(yīng)，從單元體開挖時(shí)刻算起，經(jīng)過時(shí)間t后，由單位巖體開挖引起的豎向坐標(biāo)點(diǎn)的沉降為：

We(X,Y,Z,t)=

(1)

式中：r(Z)為單位巖體開挖在豎直方向的影響半徑，r(Z)=Z/tanβ；β為引起上覆巖體運(yùn)動(dòng)的主要影響角；C為豎向位移速度系數(shù)。

單位巖體開挖引起隧道上覆巖體豎向位移的同時(shí)，還會(huì)引起水平位移。通過柱坐標(biāo)系，引入應(yīng)變量，得出X、Y方向的分量UeX、UeY如下：

(2)

單位開挖引起上覆巖體在某點(diǎn)地層的最大水平移動(dòng)為：

Uemax(X,Y,Z,t)=

(3)

1.2 隧道開挖引起的上覆巖體移動(dòng)

隧道開挖破壞了巖體原來的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，其最直觀的結(jié)果就是上覆巖體移動(dòng)，并由隧道拱頂向上發(fā)育至地表。對(duì)于圓形、橢圓形和矩形斷面，設(shè)開挖斷面為Ω，開挖斷面最終為ω(見圖2)。根據(jù)疊加原理，最終地表下沉量為開挖范圍Ω引起的下沉減去收縮范圍ω引起的沉降，即：

W(X)=WΩ(X)-Wω(X)=

(4)

圖2 隧道任意橫斷面開挖示意圖

為計(jì)算方便，將式(4)通過二重積分換元法轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系中：

[X-(X1+rcosθ)]2}rdrdθ

(5)

式(5)中相關(guān)變換公式為：

ε=X1+rcosθ，η=Z1-rsinθ

同理，對(duì)隧道開挖引起的上覆巖體的水平位移求解，可得：

rcosθ)]2}rdrdθ

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘察及設(shè)計(jì)資料，選取隧道進(jìn)口淺埋段K0+775—835為研究對(duì)象。考慮模型邊界影響，根據(jù)圣維南原理，模型上表面取至地表，設(shè)為自由邊界，向下取至隧道底部54 m即3倍洞跨處，設(shè)為固定邊界，限制其垂直位移和水平位移；隧道左右幅外邊界取3倍洞跨，模型側(cè)面為位移邊界，限制水平位移。模型高82 m，寬144 m，縱向長(zhǎng)度為72 m，隧道埋深為20 m，左右幅隧道凈距為12 m，錨固范圍為3 m，以2 m為一個(gè)循環(huán)。模型采用理想彈塑性模型、Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。數(shù)值模型見圖3，材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工順序及左右幅隧道錯(cuò)距分析

通過FLAC3D數(shù)值分析研究隧道采用預(yù)留核心土法、上下臺(tái)階法，在左右幅錯(cuò)距為0、0.5B、1B和2B(B為隧道洞徑)下施工時(shí)上覆巖體豎向和水平方向的移動(dòng)規(guī)律。

2.3 上覆巖體豎向位移

在不同施工錯(cuò)距下采用上述兩種開挖方法時(shí)上覆巖體豎向位移見圖4。由圖4可知：上覆巖體豎向位移一般發(fā)生在隧道左幅左邊墻至右幅右邊墻正上方直至地表的區(qū)域，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)這一區(qū)域的超前支護(hù)和變形監(jiān)測(cè)。左右幅隧道施工錯(cuò)距較小時(shí)，上覆巖體的豎向位移會(huì)相互疊加，沉降量急速增大。隨著左右幅隧道施工錯(cuò)距的增大，由開挖引起的上覆巖體沉降量逐漸減?。诲e(cuò)距為1B時(shí)，沉降量大幅下降；錯(cuò)距為2B時(shí)，相較于錯(cuò)距為1B時(shí)沉降量并未明顯減小。由此推斷左右幅隧道施工錯(cuò)距為1倍洞距時(shí)相互擾動(dòng)影響較小，能較有效地控制上覆巖體的移動(dòng)?？蛇x取施工步驟最簡(jiǎn)單的施工方法，即上下臺(tái)階開挖法，以減少工期。

圖4 開挖方法和施工錯(cuò)距與上覆巖體豎向位移的關(guān)系

2.4 上覆巖體水平位移

不同開挖方法和施工錯(cuò)距下上覆巖體水平位移見圖5。由圖5可知：在相同施工錯(cuò)距下，采用預(yù)留核心土法和臺(tái)階法施工時(shí)，上覆巖體最大水平位移區(qū)域?yàn)樽笥曳淼拦把课?。若施工不?dāng)，該區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引起巖體變形，使上層巖柱產(chǎn)生拉伸變形。隨著左右幅隧道施工錯(cuò)距的增大，水平位移逐漸減小。施工錯(cuò)距為1B～2B時(shí)，采用預(yù)留核心土法、臺(tái)階法施工時(shí)左右幅拱腰圍巖的最大收斂量分別為13、15 mm，都能滿足隧道施工圍巖控制要求。

圖5 開挖方法和施工錯(cuò)距與上覆巖體水平位移的關(guān)系

2.5 上覆巖體彎曲規(guī)律

采用預(yù)留核心土法、臺(tái)階法開挖時(shí)，不同施工錯(cuò)距下上覆巖體的沉降見圖6(其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖7)。由圖6可知：左右隧道施工錯(cuò)距越小，沉降槽越深，彎曲曲率越大，上覆巖體越不穩(wěn)定。錯(cuò)距大于1倍洞距時(shí)，無論采取哪種開挖方法，沉降槽彎曲率都較小，可認(rèn)為施工錯(cuò)距超過1倍洞距時(shí)有利于上覆巖體的穩(wěn)定。施工方法不同、施工錯(cuò)距相同時(shí)，當(dāng)左右幅隧道施工錯(cuò)距大于1倍洞距時(shí)，選取施工步驟較簡(jiǎn)單的臺(tái)階法施工，既有利于隧道的穩(wěn)定，又可提高施工效率。

圖6 開挖方法和施工錯(cuò)距與上覆巖體沉降的關(guān)系

3 隧道開挖監(jiān)控量測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

為準(zhǔn)確把握隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)為修正開挖方法、初期支護(hù)參數(shù)、二次襯砌仰拱施作時(shí)間提供依據(jù)，在隧道洞內(nèi)外埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖7、圖8)，對(duì)施工中地表和洞內(nèi)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖8 隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 臺(tái)階法平行施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在平行施工的段落布置洞內(nèi)和地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)平行施工過程中巖體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖9、圖10所示，隧道進(jìn)口監(jiān)測(cè)斷面K0+780的拱頂沉降和地表沉降的累計(jì)量均超過控制值，上覆巖體的豎向和橫向位移都較大，而上覆巖體的運(yùn)動(dòng)速率和彎曲曲率仍在增加。結(jié)合數(shù)值分析和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，造成洞內(nèi)變形和地表沉降過大的原因是隧道斷面大，左右幅隧道平行施工，應(yīng)力與變形疊加，應(yīng)力向左右幅隧道掌子面集中，對(duì)中間巖柱產(chǎn)生較大拉伸變形，引起上覆巖體變形過大，隧道處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。左右幅隧道平行施工不利于上覆巖體的穩(wěn)定，隧道開挖中應(yīng)盡量避免平行施工。

圖9 K0+780洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間關(guān)系曲線

圖10 K0+780斷面上覆巖體位移-時(shí)間關(guān)系曲線

3.3 臺(tái)階法錯(cuò)距施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，施工錯(cuò)距為1B及以上時(shí)，隧道施工相互擾動(dòng)影響小。以監(jiān)測(cè)斷面K0+800為例，隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移見圖11，1B和2B施工錯(cuò)距下隧道地表沉降見圖12。由圖11、圖12可知：左右洞施工錯(cuò)距超過1B時(shí)，采用臺(tái)階法施工，可有效控制上覆巖體的移動(dòng)變形。

圖11 K0+800洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間關(guān)系曲線

圖12 K0+800斷面上覆巖體位移-時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1) 淺埋大斷面公路隧道開挖引起的上覆巖體豎向位移和荷載變形在隧道拱部變化最大，最大水平位移發(fā)生在左右幅隧道拱腰處，掌子面前方開挖擾動(dòng)范圍最大為0～1B，相應(yīng)區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)，減小開挖擾動(dòng)強(qiáng)度和擾動(dòng)頻率，提高巖體的穩(wěn)定性。

(2) 在一定條件下，臺(tái)階法施工由于工序少、速度快、應(yīng)力擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在控制地表沉降和洞內(nèi)變形中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3) 隧道左右幅開挖錯(cuò)距為1倍洞距及以上時(shí)，可有效減小互相擾動(dòng)的影響。選用臺(tái)階法施工既可有效控制上覆巖體的移動(dòng)變形，又可加快施工速度。