趙　磊，王　媛，牛玉龍

(河海大學　隧道與地下工程研究所，江蘇　南京　210098)

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淺埋礦山法隧道聯合支護監(jiān)測及三維數值模擬分析

趙磊，王媛，牛玉龍

(河海大學隧道與地下工程研究所，江蘇南京210098)

摘要：以某地鐵工程區(qū)間隧道實際監(jiān)測數據為基礎，結合現場實際情況進行三維開挖模擬，在滲流應力耦合作用下獲得在軟弱破碎巖體中的隧道沉降及變形隨開挖過程的變化規(guī)律。通過模擬計算與實際情況下的結果對比，發(fā)現引入滲流應力耦合的三維模型計算結果接近實測結果，結合實際情況的數值模擬，可以確定較好的聯合支護方案，有效預估并且控制隧道開挖造成的位移變形。

關鍵詞：隧洞圍巖；穩(wěn)定性分析；滲流應力耦合；變形監(jiān)測；三維數值模擬

在隧道施工中，穿越軟弱、破碎圍巖等不良地質地區(qū)會產生較大的變形，在很多隧道淺埋段，過量的沉降會導致超出規(guī)范中預留的圍巖變形量，而導致隧道尺寸不滿足設計建筑界限。因此在這些地段，通常采用聯合支護的方法。王玉寶等通過對原型實驗洞不同的開挖支護方式進行了監(jiān)測，獲得了隧洞選取不同支護類型的設計優(yōu)化數據；寧殿晶等通過對阿拉坦隧道的地表與巖體的分層沉降監(jiān)測數據進行分析，獲得了在不同圍巖類別下確定隧道進尺長度的安全值；鄭俊清等通過對兩條小間距短隧道的現場監(jiān)測為襯砌施做時間及中間巖柱穩(wěn)定性提供了設計依據。劉天宇等通過運用FLAC3D對導管注漿支護進行模擬獲得了解決隧道分步開挖時頂拱產生的急劇變形及圍巖集中應力問題；張紅等通過對濕陷性黃土隧道復合襯砌結構的模擬得出了黃土隧洞圍巖與襯砌的安全系數參考值。但是之前的模擬大部分僅以二維模擬為主并且并沒有將滲流應力耦合納入考慮，部分模擬開挖的結果與實際結果有較大出入。本文結合實際監(jiān)測數據，對聯合支護下的隧道變形及地表沉降數據進行分析，運用數值軟件對存在滲流應力耦合情況下的結果分析，獲得隧道聯合支護安全穩(wěn)定性評價。

1隧道概況與監(jiān)測結果分析

1.1　隧道概況與聯合支護措施

該條隧道為區(qū)間隧道。從盾構工作井向北進入山體，下穿某水泥廠鐵路專線后出山到達明挖段，全長900多米。里程樁號為右DK42+065.333～DK42+995.000，左DK42+070.967～DK42+995.000。隧道為雙洞單線，馬蹄形斷面，雖然結構簡單，但是地質條件較差，不良地質體發(fā)育，給掘進工作帶來較大困難。

山體出露的地層巖性主要為周沖村組灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖溶裂隙發(fā)育，地下水補充十足?？紫读严端€(wěn)定埋深3.1～4.8m，隧道周圍為V或IV中強風化圍巖，上覆土層為混合土或第四系素填土。

隧道在出山段由于地質條件較差，埋深較淺，且隧道上方地表為居民區(qū)，本段隧道均采用錨桿加超前小導管注漿與鋼桁架支護。其中Φ25中空注漿錨桿L=3m@1m×1m梅花形布置；Φ42超前小導管L=3.5m@0.3m×2m，小導管與隧道縱向呈10°～15°；格柵鋼架采用HRB400-25間距0.5m，中間采用雙層Φ8@150mm×150mm鋼筋網片，噴射C25、P6混凝土。

1.2　隧道監(jiān)測方案

根據規(guī)范[7-8]編制的檢測方案采取對洞周收斂、洞頂下沉、地表下沉、臨近建筑物沉降作為主要監(jiān)測項目。

在隧道內部，超前支護打入后，進行巖土體開挖，然后將拱圈支護安裝。此時監(jiān)測元件被焊接到支護鋼筋上。隧道內部縱向每10m為一個斷面，每個斷面布置1個拱頂點以及2個收斂點，在部分沉降較大的地段加密；地表監(jiān)測沿隧道縱向在DK42+065～DK42+210每10m布置一個斷面，每個斷面布置5～11個測點，周邊建筑物測點布置在其四角、大轉角及伸縮縫處。

1.3　監(jiān)測結果

通過對現場的長期監(jiān)測，選取具有代表性的數據，可得到如下結果：

表1　模型部件物理力學參數表

(1)如圖1與圖2所示，測點在剛剛開挖完之后的位移量比較大，一般在20d左右趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生大的位移。

(2)拱頂最終沉降數據，在隧道的不良地質段，拱頂沉降有多個點超過了30mm監(jiān)測預警值。拱頂最終沉降量在不良地質段均已超出規(guī)范給定的預留值，所以后期必須對隧洞部分初期支護進行拆除和重新安裝。

(3)在左DK42+124處初期支護發(fā)生較大變形，地表塌陷，大量地下水涌入隧洞。其地面與拱頂的位移監(jiān)測如圖3所示。

2施工開挖分步模擬及結果分析

2.1　模型基本信息

根據勘察報告與設計圖紙及之前的監(jiān)測數據，選取隧道中間KD42+130～KD42+150這不良地質段進行數值模擬分析。分析軟件采用ABAQUS。分析模型尺寸我們取60m×20m×30m隧道圍巖特性按地層性質不同，采用不同的彈塑性模型考慮，土體采用Mohr-Coulomb屈服準則，巖體采用Druck-Prager屈服準則。錨桿、超前小導管、初期支護均視為彈性體[10]。圖4為隧道穿越地區(qū)的地層網格計算模型，圖5為隧道內支護系統(tǒng)的網格計算模型。

模型側面與底面施加法向約束邊界，側面水頭邊界固定在地表以下3m。模型中分步逐漸向前開挖會在隧道內部形成新的邊界，因此針對每個分析步建立了不同的內水頭邊界條件。

2.2　施工步驟模擬

通過單元生死的功能實現隧道開挖的模擬，運用應力衰減實現對隧洞開挖的控制。衰減量的不同來表征襯砌在開挖后加上的時間，衰減量越大，加上的時間越晚，圍巖應力釋放越多[11]。軟件中通過：(1)先形成自重應力場和滲流應力場；(2)插入左洞第一段超前小導管并注漿加固[12]；(3)左洞第一段上臺階應力衰減；(4)左洞第一段上臺階襯砌；(5)左洞第一段下臺階應力衰減；(6)左洞第一段下臺階襯砌；(7)插入左洞第一段內的錨桿及第二段的超前小導管并注漿加固；(8)左洞第一段開挖移除。每個開挖循環(huán)為1m，重復第2至第8步，直至左洞開挖貫通，再對右洞進行開挖，整個開挖過程共計320個施工開挖步。

2.3　計算結果

通過對模型進行了四個工況的計算，計算結果如下圖6～圖9所示。

工況1：不存在滲流應力耦合狀態(tài)下，應力衰減至40%，左洞開挖；

工況2：存在滲流應力耦合狀態(tài)下，應力衰減至20%，左洞開挖；

工況3：存在滲流應力耦合狀態(tài)下，應力衰減至40%，左洞開挖；

工況4：存在滲流應力耦合狀態(tài)下，應力衰減至60%，左洞開挖。

圖6～圖9顯示的是在不同工況下，隧道逐漸向前開挖時地表Z=0m處的沿X向的一排點的沉降曲線圖。計算結果顯示，隨著隧道逐步向前開挖，地表點會繼續(xù)發(fā)生沉降。在掌子面與地表點Z軸方向距離5m范圍內，開挖對于地表點的沉降影響內影響較大，超過6m后地表沉降影響幅度減小。

通過之前的計算結果可選取5m處地表沉降值作為最終沉降值，并繪制出在不同工況下的地表最終沉降量，并與實測值進行比較，見圖10。

本段的實際地表沉降位移量與工況3的結果最為接近。沒有滲流作用下的模擬計算結果與實測結果偏離較大，而在有滲流應力耦合作用下，應力釋放量越大，則沉降越大。實際情況中，應力釋放量與支護時間相關，釋放量越大，表明支護的時間越晚，前期的應力釋放主要由隧洞圍巖承擔。工況2應力衰減幅度較大情況下計算結果與實際值有較大偏差，這說明實際工程中一般在不良地質段都會通過快速支護來防止隧道發(fā)生更大變形，計算時應采用接近實際情況的應力衰減參數。與此同時，在城市隧道開挖過程中如果圍巖性質較差，不能通過采用發(fā)揮圍巖承載力來減少隧道襯砌變形的方法。邊開挖邊支護，盡量縮短開挖支護過程時間能有效減少隧道變形。由于在本地區(qū)地下水位較高，隧道開挖后的水利梯度較大，沒有滲流應力耦合的計算結果(工況1)同相同衰減量下的有滲流應力耦合的計算結果(工況2～工況4)相比只有其結果的1/3，地下水滲流對于隧道開挖穩(wěn)定的影響非常大，運用數值方法計算模型時滲流的作用不可忽視。

圖11反映的是隧洞內部不同工況下隨著隧道開挖掌子面的位移規(guī)律。隧道開挖引起的應力釋放導致的超前小導管的變形圖見圖12～圖15。

在圖12～圖15中對比工況1與另外三個工況，開挖完成之后的掌子面在有滲流應力耦合的狀況下，開挖出的臨空面形成一個新的滲流邊界，導致了這種隆起尤為明顯,如圖11所示。掌子面隆起后，這種狀況下的掌子面后的圍巖由于向掌子面這個臨空面擠出，所以該處附近土體發(fā)生了應力松弛。此時打入的超前小導管與超前注漿阻止了相應變形的繼續(xù)發(fā)展。由圖12～圖15所示，此時打入的小導管發(fā)生了相同趨勢的變形。掌子面變形越大的工況(工況2)相應的超前小導管變形也越多，這也說明了小導管對于維持隧道穩(wěn)定起了相當積極的作用。

3結論

結合數值模擬結果與實測結果對比可以發(fā)現引入滲流應力耦合的三維模型計算結果接近實測結果，三維數值模擬可以通過模擬分步開挖，從而獲得較為接近與可控的實際結果。施工設計前通過結合實際情況的數值模擬，可以確定較好的聯合支護方案，有效預估并且控制隧道開挖造成位移變形。

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(特約編輯李軍)

Combinedsupportmonitoringofashallowtunnelexcavationand

3Dnumericalsimulationanalysis

Zhaolei，Wangyuan，Niuyu-long

(TunnelandUndergroundengineeringInstitute，HohaiUniversity，

JiangsuNanjing210098，China)

Abstract：BasedontheactualmonitoringdataofametrotunnelandCombinedwiththeactualsituationinthefieldofthree-dimensionalexcavationsimulation，we’dliketoexplorethevariationoftunnelsettlementanddeformationinweakrockmasswiththecouplingofseepagestress.Throughthesimulationcalculationandtheactualcircumstancesoftheresults,todeterminethesupportingeffectofcombinedsupportingmethodinthesurroundingrockbreakingandgroundwaterseepage.Sowecanensurethesafetyoftunnelexcavationandsavetheexcavationperiodtomakeaneffectiveassessment.

Keywords：tunnelsurroundingrock;stabilityanalysis;seepagestresscoupling;deformationmonitoring;3dnumericalsimulation

中圖分類號：TU93

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0019-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.005

作者簡介：趙磊(1991-)，男，安徽宣城人，碩士，主要從事巖土工程數值模擬等領域的科研工作。

基金項目：國家自然科學基金面上項目(51179060)

收稿日期：2015-09-17