種玉配，熊炎林，齊燕軍，劉書奎

(1.中鐵隧道局集團有限公司 勘察設計研究院，廣東 廣州 511400；2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511400；3.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著西部大開發(fā)和一帶一路戰(zhàn)略實施，山嶺區(qū)域隧道建設數(shù)量和規(guī)模不斷擴大。由于地形地質(zhì)條件的約束，許多隧道建造在水平砂泥巖地層。水平砂泥巖地層隧道設計中預留變形量的確定對隧道建設成本和隧道初期支護變形穩(wěn)定均具有較大影響。

目前，國內(nèi)許多學者對隧道預留變形量進行了研究：吳勇等[1]針對麗香某破碎巖體隧道，提出圍巖破碎、極破碎情況下，隧道預留變形量分別取25 cm和30 cm比較合適；唐民、趙東平、樊純壇等[2-4]對黃土隧道的拱頂沉降和凈空收斂進行分析，提出黃土隧道變形預留量可以根據(jù)初期支護封閉的時間和實測監(jiān)測數(shù)據(jù)確定；曹海靜等[5]針對蒙華鐵路黃土隧道，提出Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道預留變形量分別取8～10 cm和12～15 cm為宜；孫國凱等[6]通過分析隧道沉降數(shù)據(jù)，提出軟弱圍巖隧道的預留變形量取30～35 cm比較合適；金美海等[7]采用數(shù)值計算和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的手段，提出了黃土隧道在不同偏壓時的預留變形量建議值。

針對水平砂泥巖地層隧道預留變形量的研究，目前還鮮有報道。蒙華重載鐵路段家坪隧道大部分位于水平砂泥巖地層，論文通過數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場實測的變形數(shù)據(jù)，得到水平砂泥巖地層隧道預留變形量，為類似工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

段家坪隧道位于陜西省延安市宜川縣境內(nèi)，隧道進口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，隧道全長10 722.98 m，為單洞雙線隧道，最大埋深450 m，兩淺埋處最小覆土厚度分別為3.5 m與14 m。上覆第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)新黃土、砂土及碎石類土、上更新統(tǒng)風積砂質(zhì)新黃土、沖洪積砂質(zhì)老黃土、黏質(zhì)老黃土及砂類土和碎石類土，下伏三疊系砂巖、泥巖等。區(qū)域內(nèi)發(fā)育的節(jié)理主要有 NWW、NNE 兩組節(jié)理，其中 NWW 組較為發(fā)育。初期支護參數(shù)如表1所示。

表1 初期支護參數(shù)

圖1 數(shù)值計算模型圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

通過MIDAS/GTS建立水平砂泥巖地層隧道二維平面應變彈塑性計算模型[8]，隧道的開挖總寬度為14 m，開挖總高度為11 m。計算模型如圖1所示。

左右兩側(cè)邊界長度取隧道總跨度的3倍，隧道模型下方邊界取隧道總高度的2.2倍，隧道模型的上邊界取隧道總高度的2.5倍。建立的隧道模型寬為100 m，高為70 m。隧道模型的豎向邊界以及下邊界采用零位移約束條件進行約束，而上邊界設為自由邊界。鋼架的作用采用等效方法予以考慮，隧道圍巖及支護材料的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 圍巖及支護材料參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

水平砂泥巖隧道圍巖變形云圖如圖2所示。

圖2 隧道圍巖變形云圖

由圖2可知：該數(shù)值模擬中，水平砂泥巖地層隧道IV級圍巖段拱頂沉降為54.77 mm，凈空收斂為36.04 mm，拱頂沉降最大值大于凈空收斂最大值。

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測點布置

選擇直徑不小于20 mm的螺紋鋼作為測點材料，長度約為20～30 cm，在螺紋鋼尾部(隧道洞內(nèi)方向)焊接鋼板或者進行45°斜切面，并且在鋼板上面或斜切面處粘貼測量專用反射膜片。初期支護應與圍巖密貼，測點埋設在鋼架、格柵等初期支護上，測點一端緊貼巖面，無鋼架和格柵等初期支護時，測點應埋入圍巖不小于20 cm，并埋設牢固。具體布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測斷面布點示意圖

3.2 典型監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

DK453+600～DK454+100里程范圍內(nèi)，隧道埋深大于300 m，屬于高地應力區(qū)，圍巖累計變形量較大。隧道縱向每10 m布置1組監(jiān)測斷面，包含拱頂沉降監(jiān)測點和凈空收斂監(jiān)測點，圍巖變形較大位置處適當加密拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測點，以獲取較大數(shù)據(jù)進行分析。

DK453+600～DK454+100里程范圍內(nèi)，隧道監(jiān)測變形數(shù)據(jù)較大，此處選取3組斷面DK453+710、DK453+880和DK454+030的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行變形量和變形規(guī)律分析。3組斷面的位移-時間關(guān)系曲線如圖4～圖6所示。

圖4 DK453+710斷面位移-時間關(guān)系圖

圖5 DK453+880斷面位移-時間關(guān)系圖

圖6 DK454+030斷面位移-時間關(guān)系圖

由圖4～圖6可以看出：3組監(jiān)測斷面拱頂沉降、周邊收斂隨時間變化的規(guī)律不盡相同，但是整體呈現(xiàn)相似的趨勢，拱頂沉降和周邊收斂位移累計值隨時間增長逐步趨于穩(wěn)定。3組監(jiān)測斷面的變形累計值與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本相同。

根據(jù)圖4～圖6中的變化曲線，可將隧道斷面開挖后的變形大致分為4個階段：開始變形階段、加速變形階段、過渡變形階段和穩(wěn)定變形階段。

(1)開始變形階段

在隧道開挖后的7 d內(nèi)，圍巖持續(xù)變形，但是變形量和變形速率相對加速變形階段偏小，變形相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 開始變形階段斷面變形數(shù)據(jù)

(2)加速變形階段

在隧道開挖后的8～18 d內(nèi)，圍巖變形劇烈，變形速率較大并且有較大波動，變形相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 加速變形階段斷面變形數(shù)據(jù)

(3)過渡變形階段

在隧道開挖后的19～26 d內(nèi)，圍巖變形速率相對緩慢并且沒有較大波動，變形相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 過渡變形階段斷面變形數(shù)據(jù)

(4)穩(wěn)定變形階段

在隧道開挖后的27 d后，圍巖基本上不發(fā)生變形或變形速率近乎為零。

3.3 預留變形量確定

選取隧道斷面里程DK453+600～DK454+100范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為預留變形量分析確定的數(shù)據(jù)來源，根據(jù)隧道監(jiān)控量測規(guī)范，每10 m布置1組綜合監(jiān)測斷面，監(jiān)測拱頂沉降和凈空收斂，在變形較大位置處增加監(jiān)測斷面數(shù)目，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。

表6 統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

根據(jù)表6的統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制拱頂沉降和凈空收斂占比與變形區(qū)間的分布圖，如圖7所示。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果和相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：水平砂泥巖隧道圍巖的拱頂沉降最終累計值大于凈空收斂最終累計值，并且拱頂沉降變形區(qū)間個數(shù)也大于凈空收斂變形區(qū)間個數(shù)。因此，僅對拱頂沉降累計值和變形區(qū)間進行分析。

圖7 拱頂沉降和凈空收斂最終累計值分布狀況圖

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)散點圖

根據(jù)圖7可以將拱頂沉降最終累計值區(qū)間大致分為3個等級，第一等級：變形區(qū)間為40～60 mm的斷面占比在50%以上；第二等級：變形區(qū)間為0～20 mm和30～40 mm的斷面占比在10%～50%；第三等級：剩余變形區(qū)間的斷面占比小于10%。拱頂沉降最終累計值分布在40～60 mm的斷面數(shù)為29，分布在0～20 mm和30～40 mm斷面數(shù)為21，剩余變形區(qū)間的斷面數(shù)為6。拱頂沉降最終累計值40～60 mm的概率為51%，認為拱頂沉降最終累計值在此范圍內(nèi)概率最大。拱頂沉降最終累計值為20～30 mm的概率為3.3%，認為拱頂沉降最終累計值在此范圍內(nèi)概率最小。

根據(jù)表6統(tǒng)計數(shù)據(jù)，獲得不同相對保證率的散點圖，如圖8所示。

由圖8可知：預留變形量為40 mm、50 mm、60 mm、90 mm時，保證率分別為41%、66%、93%、100%，基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算結(jié)果，認為水平砂泥巖隧道IV級圍巖預留變形量取55～60 mm為宜。

4 結(jié)論

依據(jù)蒙華重載鐵路段家坪水平砂泥巖IV級圍巖段，通過數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)水平砂泥巖地層隧道IV級圍巖段拱頂沉降最終累計值大于凈空收斂最終累計值，隨著時間增長，在第27天后趨于穩(wěn)定。

(2)水平砂泥巖地層隧道變形大致分為4個階段：開始變形階段、加速變形階段、過渡變形階段和穩(wěn)定變形階段。

(3)通過統(tǒng)計分析隧道變形數(shù)據(jù)，隧道預留變形量為40 mm、50 mm、60 mm、90 mm時，保證率分別為41%、66%、93%、100%。

(4)根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，水平砂泥巖隧道IV級圍巖預留變形量取55～60 mm為宜。