潘朝，張著彬，鄒勇

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430064）

隧道及地下結(jié)構(gòu)是一個由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，往往具有“地質(zhì)因素復(fù)雜且變化眾多，受多種因素影響，施工較為困難”等特點，施工設(shè)計不當(dāng)易引發(fā)一系列安全問題，如塌方、冒頂?shù)仁录?，更?yán)重會造成人員傷亡，因此，確定圍巖的穩(wěn)定性是隧道設(shè)計和施工中研究的重點和難點。然而圍巖條件的復(fù)雜多變性、載荷效應(yīng)的動態(tài)特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造性能的不確定性，使得本學(xué)科的理論指導(dǎo)作用不像其他學(xué)科更易于實現(xiàn)定量化[1]。

目前國內(nèi)外對隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的研究較多，但對特殊地段、特殊地質(zhì)條件的相關(guān)研究卻很少。為此，本文首先對隧道圍巖變形與初期支護(hù)機(jī)理進(jìn)行理論分析，然后通過現(xiàn)場監(jiān)控量測和ANSYS數(shù)值模擬對比分析，研究了淺埋偏壓隧道圍巖變形與初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)特征，旨在指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計與現(xiàn)場施工，保證隧道安全、快速貫通，為類似工程研究提供參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

某隧道是滬昆客專長昆湖南段重難點隧道，起止里程為DK387+174.24—DK388+075，全長900.76 m，最大埋深127.4 m，寬約14 m，為來回雙線。

該隧道出口段屬于低山丘陵地貌，巖性為青灰色凝灰質(zhì)板巖及紫紅色砂質(zhì)板巖，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚度較大，呈塊狀、碎塊狀，結(jié)構(gòu)松散。該段埋深20～30 m，DK388+055 斷面通過斷層F150，存在偏壓現(xiàn)象，為淺埋偏壓隧道段。隧道區(qū)板溪群馬底驛組二段與板溪群馬底驛組三段為整合接觸[2]。

2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測

2.1 監(jiān)測項目及內(nèi)容

主要監(jiān)測項目及內(nèi)容如表1 所示[3]，各監(jiān)測項目布置如圖1 所示。

表1 監(jiān)測項目及內(nèi)容

2.2 隧道出口段現(xiàn)場監(jiān)測成果分析

對DK388+025典型斷面進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果如下。

2.2.1 拱頂沉降與水平收斂

DK388+025 斷面拱頂下沉、收斂差值及累計沉降量、收斂量隨時間變化曲線如圖2 所示。

圖2 DK388+025 斷面拱頂下沉、收斂差值及累計沉降量、收斂量隨時間變化曲線

DK388+025 斷面拱頂下沉、水平收斂當(dāng)日變形速率及平均變形速率隨時間變化曲線如圖3 所示。

圖3 DK388+025 斷面拱頂下沉、水平收斂當(dāng)日變形速率及平均變形速率隨時間變化曲線

由圖2 和圖3 可知，拱頂沉降在初期階段變化非常顯著，沉降速率達(dá)到7.54 mm/d 出現(xiàn)在隧道開挖后的4 d 左右，隨后變形開始趨于穩(wěn)定，但是當(dāng)日沉降速率需要34 d 左右才能降低到0.1 mm/d 以下。

水平收斂上下測線所需要的時間分別為32～42 d、13～23 d，均比較長。其變形速率降到0.1 mm/d以下，上測線大約需要34 d，占收斂總時間的80.9%；而下測線只需11 d，占收斂總時間的36.7%。

結(jié)合分析可知，拱頂沉降變形與水平收斂變形趨勢比較相近，都是呈現(xiàn)3 個階段，即增長和急速增長階段、緩慢增長階段和趨于穩(wěn)定階段，但各階段歷時有一定差異。拱頂沉降變形在增長和急速增長階段的時間大約為15 d，是水平收斂變形的2 倍左右；而水平收斂變形在緩慢增長階段的時間長達(dá)22 d；兩者趨于穩(wěn)定階段的時間相差不大。拱頂總沉降量比水平收斂位移量大得多，高達(dá)17 mm 左右，但其收斂速率也不太相同，這與隧道的埋深、巖體的各種物理力學(xué)參數(shù)及監(jiān)測部位有著不可否認(rèn)的關(guān)系。

2.2.2 地表沉降

在隧道出口段地表布設(shè)了2 組地表下沉監(jiān)測測線（DK388+025 斷面、DK388+022 斷面），每組布設(shè)7個地表觀測點（P11—P17、P21—P27），隧道軸線縱斷面正上方地表埋設(shè)P14 和P24，然后向兩側(cè)依次均勻布設(shè)，間距3 m。鑒于篇幅有限，僅對部分時間段典型觀測點P11、P14、P17、P21、P24 及P27 進(jìn)行統(tǒng)計分析，其地表測點累計沉降量隨時間變化曲線如圖4 所示。

圖4 地表累計沉降量隨時間變化曲線

監(jiān)測表明，地表各監(jiān)測點沉降速率變化也分3 個階段，隧道軸線上的監(jiān)測點（P14、P24）表現(xiàn)更明顯些，兩側(cè)監(jiān)測點沉降速率變化稍顯平緩。各監(jiān)測點沉降趨于穩(wěn)定階段較晚，大約都在37 d 之后。

地表各監(jiān)測點的沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降量與水平收斂量，這與隧道上方巖體的類型、物理力學(xué)參數(shù)、破碎程度及施工工藝與方法有重要關(guān)系，還與施工期處于霉雨季節(jié)有直接關(guān)系。

2.2.3 鋼支撐壓力

根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)資料，鋼支撐在拱頂和拱肩這些部位受力比較顯著，所以對DK388+022 斷面左拱腰、拱頂和右拱腰分別布置了635#、636#、637#GYL 鋼筋應(yīng)力計，所得鋼支撐壓力隨時間變化曲線如圖5 所示。

圖5 DK388+012 斷面鋼支撐壓力隨時間變化曲線

從圖中可以看出，拱頂和兩側(cè)拱腰處鋼支撐所受的壓力都比較大，說明在淺埋偏壓隧道施工過程中鋼支撐承受了來自圍巖的大部分壓力；在鋼支撐所處的拱頂和拱腰部位上所測得的壓力隨時間變化呈現(xiàn)“快速增長—緩慢增長—快速增長—緩慢增長”的規(guī)律，這種規(guī)律表示鋼拱架所受到的壓力受到現(xiàn)場施工非常大的影響；拱腰處受到的壓力左側(cè)比右側(cè)明顯大一些，主要原因是隧道處于偏壓狀態(tài)，使得左右兩側(cè)拱腰處受力不均。

2.2.4 錨桿軸力

根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)資料，錨桿在拱腰處受力會比較顯著。受條件所限，本次僅對DK388+020 斷面B、D 測孔處布置測點。B 測孔的各測點B1、B2、B3 的埋深分別為2.8 m、1.6 m、0.4 m，D 測孔的各測點D1、D2、D3 的埋深分別為2.8 m、1.6 m、0.4 m。

監(jiān)測結(jié)果表明，錨桿被監(jiān)測的軸力隨著深度增大從0 逐漸增大，隨后又慢慢變小，直至減小到0。其淺中部錨桿軸力變化規(guī)律為“快速增長（軸力下降）—緩慢增長—趨于平穩(wěn)”，深入巖石內(nèi)部測點的軸力呈“上升—平緩—平緩”波動的特征。由于受到隧道偏壓的影響，左側(cè)量測錨桿的軸力分布均值比右側(cè)的要大，具體如圖6 所示。

圖6 DK388+020 斷面B、D 測孔錨桿軸力曲線

3 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 計算模型假設(shè)條件及圍巖邊界條件

將隧道圍巖材料特性視作為均質(zhì)彈塑性體，并且其材料力學(xué)的屈服條件選取Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則[4]；隧道巖體變形時滿足各向同性；可用二維平面應(yīng)變問題代替隧道圍巖的受力和變形。

大量的實踐證明，洞室應(yīng)力重分布在以洞室為中心3～5 倍洞徑范圍以內(nèi)。因此，本文使用的計算模型在水平方向取3 倍洞徑，在豎直方向向地層深部取4倍洞徑，在地表處采用實際的埋深及地形地勢。將初始應(yīng)力場側(cè)壓力作用考慮在內(nèi)，施加均布荷載邊界條件作用在計算模型的水平兩側(cè)及上側(cè)，豎向上部荷載數(shù)值可以通過隧道埋深進(jìn)行確定，通過反算確定水平荷載大小，一般認(rèn)為位移在開挖前已經(jīng)完成，因此在模型下部作用位移約束[5]。

3.2 單元類型及參數(shù)

圍巖及二襯襯砌通過4 節(jié)點等參平面實體單元（PLANE42）來進(jìn)行模擬，初期支護(hù)通過2 節(jié)點等參平面梁單元（BEAM3）來進(jìn)行模擬，環(huán)向錨桿通過2節(jié)點等參桿單元（LINK1）進(jìn)行模擬[6]。

本次模型模擬過程中按照實際施工采用的設(shè)計參數(shù)選取各單元的參數(shù)，其具體內(nèi)容如下：①初期支護(hù)厚度取0.30 m；②Φ22 mm 錨桿長度取3.6 m，布設(shè)36根在隧道壁環(huán)向180°，圓心角取5°，間距為0.6 m。

圍巖性質(zhì)參數(shù)主要通過考慮按規(guī)范及現(xiàn)場實測V級圍巖的參數(shù)確定，具體如表2 所示。

表2 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計算模型及模擬施工步驟

3.3.1 計算模型的選擇

隧道仿真模擬斷面歷程為DK388+025，該斷面埋深27 m。

隧道實際斷面形狀具體尺寸如下：①水平跨度最大達(dá)14 m，高度達(dá)9.8 m；②由四心圓構(gòu)成，半徑分別為7.35 m、19.3 m、3.1 m、3.1 m。

二維平面ANSYS平面模型如圖7所示。

圖7 有限元計算模型

3.3.2 施工步驟模擬

由于隧道圍巖失穩(wěn)事故一般發(fā)生在低級別圍巖中，并且隧道貫通的關(guān)鍵在于出口段V級圍巖段，因此本次選取某隧道V級圍巖進(jìn)行模擬計算分析。根據(jù)現(xiàn)場實際施工的3臺階7步開挖方法來進(jìn)行本次模擬，在整個模擬過程中，可分為14個荷載步進(jìn)行模擬。要想與監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時也要滿足實際施工步驟，可以把初期支護(hù)單獨進(jìn)行模擬，二次襯砌作為應(yīng)力儲備，在此不做模擬計算。隧道3臺階7步的土體荷載步分布如圖8所示。模擬計算初期支護(hù)的具體荷載步如下：模擬計算初始應(yīng)力（自重應(yīng)力場）—上臺階環(huán)形土體①進(jìn)行模擬開挖—激活上臺階的支護(hù)—中左臺階②開挖—激活中左臺階的支護(hù)—中右臺階③進(jìn)行模擬開挖—激活中右臺階的支護(hù)—下左臺階④進(jìn)行模擬開挖—激活下左臺階的支護(hù)—下右臺階⑤進(jìn)行模擬計算—激活下右臺階的支護(hù)及全部錨桿—核心土體⑥進(jìn)行模擬開挖—仰拱土體⑦進(jìn)行模擬開挖—激活仰拱土體的支護(hù)。

圖8 3臺階7步施工荷載步

3.4 數(shù)值模擬成果及與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比分析

3.4.1 位移場分析

隧道開挖后，由于受圍巖應(yīng)力重分布的影響，位移云圖在隧道附近出現(xiàn)顯著變化。Y方向位移及合位移最大值仍然出現(xiàn)在錐角處，均為206.1 mm，如圖9、圖10所示。相比其他部位，隧道左拱肩到拱頂沉降明顯較大，其范圍值為170.3～183.2 mm，這是由于隧道處于偏壓造成的。而X方向位移基本變化都較小。

圖9 開挖模擬前Y方向初始位移云圖

圖10 開挖模擬后Y方向位移云圖

DK388+025斷面實測沉降數(shù)據(jù)與模擬值對比如表3所示。分析得出，實際監(jiān)測與ANSYS模擬的各個位移變化值中，地表沉降最大，拱頂沉降次之，周邊收斂最小。這是符合實際情況的，原因是隧道上方土層因開挖及施工擾動，會造成應(yīng)力重分布，從而使土層更密實。

表3 DK388+025斷面位移變化實測值與模擬值對比分析

3.4.2 應(yīng)力場分析

隧道開挖后會擾動初始應(yīng)力場，產(chǎn)生二次應(yīng)力重分布。開挖模擬前應(yīng)力基本呈均勻?qū)訝罘植?，隧道右上方地表邊緣會出現(xiàn)一定程度的拉應(yīng)力。

開挖模擬后，無論是水平方向還是豎直方向，應(yīng)力最大值都產(chǎn)生在邊墻中部位置，最小值出現(xiàn)在拱頂及仰拱部位水平和豎直方向。同時，仰拱部位水平方向主要產(chǎn)生拉應(yīng)力，豎直方向多承受壓應(yīng)力，這也就是為什么隧道在施工中會出現(xiàn)仰拱突起現(xiàn)象的原因。在Y方向和第3主應(yīng)力云圖上，圍巖的應(yīng)力分布在拱頂形成一個 “V” 字形槽，如圖11、圖12所示。

圖11 開挖模擬后Y方向應(yīng)力云圖

圖12 開挖模擬后第3主應(yīng)力云圖

對比開挖模擬前后應(yīng)力云圖可以得出，隧道開挖后對初始應(yīng)力擾動將使二次應(yīng)力產(chǎn)生重分布現(xiàn)象，通過模擬可發(fā)現(xiàn)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的第一主應(yīng)力方向大致與水平方向相近，同時第三主應(yīng)方向也與豎直方向趨近，這種現(xiàn)象符合實際情況。隧道開挖前，隧道周圍巖體所受應(yīng)力均勻分布，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。而隨著隧道開挖的進(jìn)行，應(yīng)力在邊墻中部位移出現(xiàn)逐漸集中現(xiàn)象，尤其是在左邊墻。在左側(cè)從拱肩到拱頂處，雖然不是隧道所受應(yīng)力最大值部位，但也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中。

3.4.3 塑性區(qū)分析

隧道開挖模擬后周圍圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖13所示。

圖13 圍巖塑性區(qū)分布云圖

圍巖塑性區(qū)即周圍荷載產(chǎn)生壓力超過圍巖極限承載力，使局部圍巖產(chǎn)生變形不可恢復(fù)的屈服區(qū)域。分析圖13 可知，塑性區(qū)域主要集中在左側(cè)拱腳處，其次是兩側(cè)拱墻和拱腰位置，右側(cè)拱腳處不存在塑性區(qū)域。這是由于隧道處于偏壓狀態(tài)，周圍巖體與隧道初期支護(hù)在拱腳相互擠壓在左側(cè)更加嚴(yán)重造成的。

另外，圍巖塑性集中區(qū)都處于各個開挖臺階的下邊緣處。實際施工過程中，每一臺階開挖時都會及時進(jìn)行初期支護(hù)，然后一般由于支護(hù)沒有封閉成環(huán)，在邊緣處多以周圍巖體結(jié)合支撐。因此施工期中，開挖臺階下邊緣周圍巖體比較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致后期初期支護(hù)及時封閉成環(huán)，這些位置也會出現(xiàn)塑性區(qū)。

3.4.4 初期支護(hù)受力圖

開挖模擬后錨桿軸力分布圖如圖14 所示。從圖中可以看出，隧道開挖模擬后錨桿軸力值在隧道的拱頂及兩側(cè)拱腰處較大，尤其是左側(cè)拱腰。左側(cè)拱腰處最大軸力值為15.8 4 4 kN ；拱頂位置最大軸力值為7.688 kN；右側(cè)拱腰處最大軸力值為11.766 kN。將上述模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計對比，如表4 所示。

圖14 開挖模擬后錨桿軸力分布圖

表4 各關(guān)鍵點錨桿最大支護(hù)軸力的模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

由表4 可知，實際監(jiān)測和ANSYS 模擬的錨桿軸力相差不大，并且左側(cè)拱腰處錨桿軸力都比右側(cè)大很多；無論是實際監(jiān)測還是ANSYS 模擬得到的錨桿軸力數(shù)據(jù)，兩側(cè)拱腰位置錨桿淺部位置（0.4 m 處）軸力最大，中部位置（1.6 m 處）軸力次之，深部位置（2.8 m 處）軸力最??；結(jié)合圖4—圖13，可以總結(jié)出錨桿從淺部位置到深入圍巖的深部位置，其軸力呈逐漸減小趨勢。

4 結(jié)論

淺埋偏壓隧道水平收斂、拱頂沉降及地表沉降隨時間變化均呈現(xiàn)增長和急速增長階段、緩慢增長階段及趨于穩(wěn)定階段這3 個階段，但地表沉降量一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降量與水平收斂量，這與隧洞巖土體特性及施工工藝等因素有直接關(guān)系；受偏壓影響鋼支撐壓力和錨桿軸力左側(cè)均明顯大于右側(cè)，表明隧洞處于嚴(yán)重偏壓狀態(tài)。

淺埋偏壓隧道拱頂及地表沉降量較大，開挖后應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)并及時施作；拱腰和拱腳處應(yīng)力集中，易發(fā)生剪切破壞，與一般隧道圍巖塑性區(qū)的分析較吻合。施工開挖對圍巖位移變化影響較大，淺埋偏壓隧道的初期支護(hù)要與一般隧道支護(hù)區(qū)別對待，實際施工中要高度重視，宜采用復(fù)合式襯砌，對噴層適當(dāng)加強(qiáng)或加固。

數(shù)值模擬成果與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析相吻合，模型及參數(shù)選取正確，實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。