王 亮
(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 40074)
隧道開挖工序?qū)鷰r支護(hù)的變形影響與空間效應(yīng)
王 亮
(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 40074)
利用隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測技術(shù),通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析直觀的反應(yīng)圍巖變形穩(wěn)定情況并對下一步施工工序作出指導(dǎo)性建議;而今天隧道結(jié)構(gòu)的形式多元化,隧道施工技術(shù)日益成熟,不同的施工工序?qū)λ淼绹鷰r結(jié)構(gòu)的改變也不盡相同,由于施工過程中掌子面不斷推進(jìn),圍巖巖層的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也隨之經(jīng)歷破壞重組再破壞再重組的循環(huán)當(dāng)中,此過程中重組的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不能形成最終的穩(wěn)定狀態(tài)。
監(jiān)控量測;空間效應(yīng);圍巖位移;開挖工序
隧道單洞凈寬13.75m,凈高7.85m,連拱開挖總跨度達(dá)34.36m,屬六車道雙聯(lián)拱大跨度隧道,左右洞之間通過 2.9m厚的中隔墻相連,隧道凈寬 32.10m(14.60+2.90+14.60),隧道長280m,其中明洞長20m,暗洞長260m,隧道洞身圍巖主要以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖互層為主,洞身圍巖均為V級,隧道最大埋深35m。隧道采用圖2-2所示步驟開挖支護(hù),即采用左右側(cè)壁上下臺階法。
本文以四川某公路隧道為例運用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對隧道施工過程中圍巖支護(hù)變形特性、開挖施工工序、開挖過程中產(chǎn)生的空間效應(yīng)等因素進(jìn)行理論分析,得出相關(guān)結(jié)論并運用經(jīng)驗反饋法的三個準(zhǔn)則[1]~[3]以對后期施工及類似工程施工提供一定參考依據(jù),并對圍巖支護(hù)變形進(jìn)行預(yù)測以及得出圍巖支護(hù)變形規(guī)律。
本隧道施工采用新奧法施工,本文對斷面頂部沉降與周邊收斂進(jìn)行分析。測點布設(shè)情況[4]~[6]:現(xiàn)場監(jiān)控量測在5~10m間距布設(shè)一個斷面測點測線,每個斷面布設(shè)3個沉降測點(分別為拱頂、左、右拱腰測點),上、下臺階兩個水平收斂測線。見圖2-1所示
圖2-1 測點測線布設(shè)及施工工序
2.1 空間效應(yīng)
隧道在施工過程中由于掌子面不斷施工推進(jìn),而掌子面附近圍巖不能立即釋放全部彈性位移,形成了由開挖面推進(jìn)產(chǎn)生的圍巖變化的特性,即空間效應(yīng)[7],其中周邊圍巖受到兩種不同的約束方式,即“半圓弧”約束和“環(huán)形約束”,開挖時掌子面附近存在“虛擬支撐力作用”;而隧道施工的空間效應(yīng)主要表現(xiàn)在由“位移釋放系數(shù)”得出的“位移釋放規(guī)律”[8]上。
在現(xiàn)在的公路隧道工程中為了滿足車流量大的問題,隧道斷面也進(jìn)入了雙車道或三車道及以上。對于這類隧道的施工,大多數(shù)情況都是采用非全斷面開挖,但非全斷面開挖就分多種方法,本文依據(jù)如圖所示開挖步驟,以具有代表性的左洞斷面 K1+100上測點測線為例對每個開挖步驟對周邊圍巖支護(hù)的位移變化影響分析研究并作出總結(jié)。
根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)過程中得到的數(shù)據(jù),以K1+100斷面為例對該斷面圍巖支護(hù)變形特性進(jìn)行分析。由于施工現(xiàn)場條件限制,在施工開挖到K1+101時進(jìn)行對K1+100斷面的布設(shè)以及初次量測。(以下所述掌子面均為工序一處開挖施工的掌子面)
圖3-1 各測點測點隨掌子面掘進(jìn)沉降圖
由左拱腰測點數(shù)據(jù)可以看出在掌子面推進(jìn)距該斷面0~6m的過程中左拱腰測點處于快速下降狀態(tài),沉降量急劇增長,此為工序一開挖向前推進(jìn)過程,在而在隨后急劇下沉的狀態(tài)緩慢降低,說明該斷面左側(cè)壁開挖部分已經(jīng)進(jìn)入緩慢增長階段,最大下沉量為5.6mm;在工序二即掌子面在11~20m左右范圍內(nèi)時,施工開挖過程中由于右側(cè)壁巖體被挖掉導(dǎo)致已趨于緩慢變化的左側(cè)壁再次發(fā)生比較大的下沉狀態(tài),但這種變化并沒有之前的急劇下沉明顯,最大下沉量為 8.7mm。而在距掌子面在20m以上的工序三、四對施工開挖則對左側(cè)壁的影響效果甚微,下沉量并沒有發(fā)生大的變化并處于平緩增長直至不再增長,最終下沉量為9.6mm。
拱頂測點在工序二施工開挖及掌子面向前推進(jìn)過程中,在10~23m階段拱頂測點下沉量迅速猛增,最大下沉量為6.1mm;而在23~31m階段增長速度進(jìn)入緩慢階段,下沉速率明顯平緩,此時工序三已開始施工開挖,表明工序三對拱頂測點的影響不大,即下沉量沒有急劇增加,最大下沉量為6.6mm;進(jìn)入31~42m階段工序四的開挖也并沒有對拱頂測點造成多大影響,拱頂測點下沉量增長不明顯并緩慢趨于穩(wěn)定,最終下沉量為7.1mm。
右拱腰測點在10~21m階段右拱腰測點下沉量初期增長迅速,并開始出現(xiàn)區(qū)分快速增長與趨向增長緩慢的“節(jié)點”,其最大下沉量為6.2mm,在21~42m階段增長不明顯,下沉量已開始走向穩(wěn)定狀態(tài),最終下沉量為 6.7mm;表明工序三、四的施工開挖對其影響沒有了較為明顯的效果。
圖3-2 上收斂測線隨掌子面掘進(jìn)收斂圖
由上收斂測線量測數(shù)據(jù)中看出,掌子面在11~22m時上收斂測線變化值處于迅速增長狀態(tài),再隨后掌子面不斷推進(jìn)收斂變化值已進(jìn)入平緩增長或不增長狀態(tài),表明在工序三、四施工開挖中對上收斂測線的影響效果甚微。
從下收斂測線數(shù)據(jù)明顯看出,看出在總體收斂變化值較小,在30~42m范圍內(nèi)變化值快速增長,但在隨后也明顯趨于穩(wěn)定狀態(tài),最終變化值為1.24mm。
(1)根據(jù)上述圖形及分析不難看出距離隧道開挖面較近的斷面產(chǎn)生的圍巖變形比較大,在隨后開挖面逐漸推進(jìn)對其的影響開始減弱甚至消失。
(2)在開挖過后的斷面在無擾動情況下逐步進(jìn)入緩慢變形最終穩(wěn)定。
(3)步入穩(wěn)定的斷面在周邊圍巖(工序二處斷面)被開挖后左側(cè)壁受到一定程度的影響,但在隨后的開挖過程中最終又進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
(4)由于左側(cè)壁先后受到工序二、三、四周邊圍巖的擾動產(chǎn)生了不同程度的影響,其中工序二產(chǎn)生的影響最大,這與左側(cè)壁剛剛趨于穩(wěn)定又再次受到周邊圍巖的擾動有關(guān);而在工序三、四的施工中對其影響較小與開挖的上下臺階法有關(guān),且上收斂測線受到下臺階(即工序三、四)開挖的影響過小也證實了這點。
(5)工序三、四開挖后下收斂測線并沒有產(chǎn)生像上收斂測線一樣大的收斂變形,是由于仰拱及時施作并封閉成環(huán)有關(guān)。
(6)左拱腰測點的最終沉降量大于拱頂、右拱腰測點,是受到圍巖多次擾動的影響,這與施工中倡導(dǎo)的“少擾動”相符。
[1]鐵路隧道施工規(guī)范(TB10204一2002).中國鐵道出版社.2002
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