高速公路隧道洞口段开挖支护模拟分析及监控量测 (1).pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-05-04作者简介：廖红霞（1985），女，河北唐山人，从事公路养护工作。高速公路隧道洞口段开挖支护模拟分析及监控量测廖红霞（河北省唐山市迁西县交通运输局，河北 迁西 064300）摘要：为探索不良地质隧道洞口段偏压荷载对隧道开挖施工期间围岩稳定性的不利影响，以某山岭重丘地区公路隧道为例，对隧道洞口段开挖、支护施工过程展开模拟，并设置监控量测点，对出口段地表沉降及拱顶下沉和周边收敛等展开实测。结果表明，隧道偏压对拱顶变形影响较小，数值模拟结果与监控量测结果基本吻合；偏压对周边收敛影响大，必须通过初期支护参数特别是喷锚支护参数的调整，保证隧洞口浅埋偏压段施工顺利完成。关键词：高速公路隧道；洞口段；变形分析；监控量测中图分类号：U455文献标识码：A0 引言在我国交通建设中，公路隧道数量越来越多，隧洞段浅埋偏压及软弱围岩等不良地质也愈加常见。浅埋偏压隧道洞口地质条件复杂，围岩扰动频繁，支护受力复杂，开挖工序的合理选择，对围岩、支护受力特征的分析均有助于确保隧洞段开挖稳定。公路隧道设计规范（JTG 3370.12018）中对偏压隧道衬砌荷载计算方法做出了规定，但不乏部分隧道仍采用类比法展开支护结构设计。此外，因为围岩压力具有不对称性，而且不同地形支护受力具有不同特点，所以有必要分析总结实测资料，以便为在建隧道设计施工提供指导，同时为类似隧道工程提供借鉴。本文将依托山岭重丘地区隧道工程实际，结合施工措施及数值模拟结果，研究浅埋偏压隧洞段施工对上部结构物变形的影响，并提出支护措施，以便为隧道施工及运行安全提供保障。1 工程概况某公路隧道位于低山斜坡上，按分离式隧道设计，出洞段左线 K11+204K11+243 段、右线 K11+153K11+196段，洞口上部为既有公路线，边坡风化岩体形成陡峭崖体，斜坡上覆层主要为黏性土碎石，下伏层为强风化凝灰岩碎块，节理裂隙发育，岩层自稳性差。工程段地下水丰富，主要为基岩裂隙水和潜水，水文地质条件较为简单，开挖过程中存在渗水、滴水情况。隧道埋深浅，穿越强风化基岩和残坡积体，围岩松散，综合评定为级围岩。2 支护设计结合该隧道洞口段围岩实际，拟采用超前长管棚支护措施。长管棚采用壁厚6 mm、外径108 mm的热轧无缝钢管材料，按照40 cm的环向间距和1 的外插角设置，并与混凝土套拱配合施工，保证安全进洞。以3.5 m长f25 mm注浆锚杆为初支结构，锚杆纵向及环向均按0.5 m1.0 m的间距设置；焊接网直径6 mm的钢筋按照15 cm15 cm的间距设置。喷厚度为 25 cm的 C20混凝土；按50 cm间距设置18#工字钢拱架。二衬拱圈则采用厚度45 cm的C30钢筋模筑混凝土；仰拱为45 cm厚C30钢筋模筑拱。该公路隧道出口段存在一条既有乡村公路，为将隧道开挖施工对公路运行的影响降至最低，应提前明洞，并在公路下部暗洞开挖。同时，隧道出口段为级软弱围岩，隧洞段应超前预支护并采用预留核心土法分上部、中间和下部等区段开挖，各区段预留长度最大为12 m；地表预留变形量不得超出15 cm。3 隧道洞口段数值模拟3.1 模型构建通过构建隧道洞口段模型，提前预判隧道开挖施工期间围岩变化趋势，并对围岩稳定及对周边构筑物的影响做出评价。本文主要采用MIDAS/GTS NX有限元软件构建该隧道洞口边坡仿真模型，展开施工过程影响地表沉降量的动态模拟1。为保证模拟过程及结果准确，需事先对隧道尺寸、边界约束、荷载等展开说明。结合工程实际，该隧道模型左右两侧均采用水平约束，左右侧边界与隧道边墙的距离按洞跨的4倍确定；上部163总662期2023年第32期（11月 中）为自由面边界，下部采用竖向位移约束，并按洞跨的3倍确定其与隧道仰拱的距离。所构建的三维模型共包括147 923个单元和80 049个节点。3.2 参数设定模拟过程中，围岩材料采用Mohr-Coulumb弹塑性模型，初支及二衬均采用弹性模型，锚杆则通过加固区围岩参数模拟，参数取值根据公路隧道设计规范（JTG 3370.12018）综合确定。考虑到钢拱架和喷射混凝土为共同受力的紧固裹覆结构，按照等效截面展开钢拱架计算2。参数取值见表1。表1 围岩及支护材料参数取值围岩及支护材料黏性土碎石凝灰岩花岗斑岩衬砌结构锚杆加固弹性模量/MPa2751 5002 00023 000200 000重度/（kNm3）20.523.820.122.478.5内聚力/kPa15.454.186.0泊松比0.300.400.300.250.20内摩擦角/16.940.045.03.3 模拟结果分析3.3.1 应力分析通过对各监测断面拱腰处水平应力和开挖步关系分析，开挖初期，拱腰应力较大，此后随着隧道开挖面的持续推进，侧覆土厚度逐渐增大，浅埋偏压效应也逐渐减弱。其中，K11+161和K11+184段附近因右侧拱腰压力较大而引发钢支撑较大变形。分析表明，该山岭隧道洞口段采用预留核心土法开挖浅埋侧的工艺切实可行，因为隧道开挖后，挖除部分对上部岩体支撑作用基本卸除，洞顶下沉后下部岩体压力也随之解除，仰拱回弹。在分部开挖过程中，初支因施作及时且刚度较大，可对上部岩体起到较好的支撑，先开挖任一侧均不会对围岩稳定造成不利影响。实际上，在浅埋偏压隧洞段开挖期间，支护无法及时实现，根据新奥法原理，初支护属于柔性结构，无法对围岩变形起到绝对限制作用，故在开挖后初支仅提供部分承载力，其余部分的限制作用主要依靠应力调整后围岩自身承载力。按照施工方案，在先开挖深埋侧的情况下，因隧道围岩具备较大的初始地应力，根据挖除部分释放荷载计算原理，所释放的荷载也比浅埋侧开挖时大，且并非全部由初期支护承担，故围岩变形小。在先施工浅埋侧初支结构时，能为初喷混凝土强度的提升预留出足够时间，此后再开挖深埋侧围岩，即使释放较高荷载，也主要由围岩和初支结构共同承担。为此，浅埋侧先开挖属于对偏压地形施工的主动控制，主要通过施工调整以降低偏压的不利影响。应用主应力迹线表示应力场时，该迹线与水体稳定流光滑迹线相似。浅埋偏压隧道因地形原因较为特殊，坡面周围初始地应力场主应力迹线在开挖前基本顺直。开挖后相当于在主应力场内放入1个类圆形障碍物，使应力迹线向两侧分流3。考虑到浅埋侧岩体存在严重风化，承载力不足，如果先开挖深埋侧，则分流产生的应力必将引发浅埋侧围岩大变形；若先开挖浅埋侧，并在初支后再开挖深埋侧，则在初支约束下，因分流应力而引发的浅埋侧围岩变形相对较小。3.3.2 地表沉降该山岭隧道右线出口段应用环形预留核心土法施工。为保证地应力释放过程模拟的准确性，分别按照0.5、0.25和0.25确定地应力释放系数，以确保在每层开挖后，地应力不发生突变。以桩号K11+180处断面展开模拟开挖，并显示每一步开挖所引起的地表沉降量；根据模拟结果，对洞口段地表实施有效加固。根据隧道记录变形标记点分布情况可知，隧道地表沉降特征值分布于隧道中轴线左右侧，共 9个特征点，依次编号为T1T9，据此分析地表沉降变化量随施工次序的变动情况。对隧洞段开挖、支护施工过程展开数值模拟：先开挖上部土层，初期支护后再开挖左下侧和右下侧并支护，直至完成隧道断面开挖及支护。模拟结果显示，在开挖右洞洞口段上部时，地表左侧沉降变大，右侧沉降减小。而当施工上部支护结构时，左上部上升沉降量呈减小趋势，下降沉降量增大。进一步分析可知，造成左侧沉降变化的原因在于该隧洞段为浅埋偏压段，地势右高左低。在开挖隧洞段上部土层时因右侧重力增大而使右侧卸荷过程中左侧地表隆起，待加固其上部临空面后左侧地表隆起逐渐减弱。由于相同原因，此后的每次开挖均会引起左侧地表隆起，加固后减弱。为确定出隧洞段施工次序对隧道地表沉降的影响程度，须明确并分析地表特征点开挖期间的沉降值。位于隧道左侧拱顶上部的T3处沉降量（57 mm）最大，故隧洞开挖施工过程中，须及时加固隧道左侧拱顶，并及早封闭成环，防止沉降增大。而位于隧道拱顶处的特征点主要用于监测拱顶竖向变形。根据监测结果，隧道拱顶处沉降最终稳定在20.2 mm，结合地勘资料，该洞段基岩主要为强风化凝灰岩，岩芯破碎且裂隙发育。为此，隧洞口段开挖施工时须加强早期支护，及早封闭成环，防止沉降增大。4 监控量测4.1 监测方案该山岭隧道洞口段地层偏压必然引起围岩应力不164交通世界TRANSPOWORLD均衡释放，引发围岩破坏。为保证施工过程的顺利进行，准确全面了解施工期间围岩稳定程度，便于指导施工，可在隧道左右洞分别设置22个量测断面，在进出口段设置4个地表沉降断面。量测断面设置时须尽可能与开挖工作面靠近，并在与开挖面相距2.0 m范围内埋设，以便及时量测围岩变形。量测断面设置后很容易遭到施工破坏，须加强保护。结合工程实际及设计要求，量测项目设置情况见表2。周边收敛量测主要在拱顶、拱脚处按20 m设置断面，左右洞分别布设3条收敛基线，借助收敛计展开周边收敛量测。表2 量测项目设置情况监控量测项目周边收敛地表沉降拱顶下沉中墙边墙下沉围岩内偏方法/工具钢带式收敛计水准尺，水平仪水准仪，收敛计水准尺，水平仪四点位移计断面布置间隔20 m设置1个断面进出口设置4个断面间隔20 m设置1个断面间隔20 m设置1个断面每个断面设置8个测点量测时间初衬结束后施测共量测812个测点按照115 d、1630 d、3090 d及90 d以上时段施测按12次/d、12次/2 d、2次/周，3次/月频次施测按12次/d、12次/2 d、2次/周，3次/月频次施测4.2 监测结果4.2.1 出口段地表沉降根据监控量测结果，2020年5月26日地表沉降最大达26 mm，5月29日地表沉降量最大（36 mm）点位于中墙上方，此时隧道右洞施工工作面已接近相应量测断面里程。施工至此，因左右洞施工与地层偏压等的综合作用发生塌方，因措施积极到位，无人员伤亡，经济损失也较小。4.2.2 拱顶下沉及周边收敛变形量测结果能直接、直观地反映隧道支护结构受力。根据量测结果，准确判断出围岩应力发展、围岩稳定性及变化速率、支护参数合理性、最终位移量，在与其余观测方法结合应用后，还能为数据处理和信息反馈提供一手资料。量测断面监测于2020年5月10日开始，至2021年3月8日结束，历时298 d，量测断面周边收敛结果见表3。第1阶段初支收敛小，对结构受力无明显影响；第2阶段左洞各基线收敛值增大；第3阶段主洞右边线LB和RA基线累计收敛分别达到8.71 mm和6.24 mm，在累计总收敛中占比较大；第4阶段，右洞下台阶施工至隧道支护后变形基本稳定。表3 隧道周边收敛监测结果单位：mm监测时间第1阶段（2020年5月10日6月1日）第2阶段（2020年6月1日7月21日）第3阶段（2020年7月21日9月16日）第4阶段（2020年9月16日2021年3月8日）隧道左洞LA-0.423.233.237.57LB0.673.948.7114.34LC0.092.125.1010.06拱顶-0.044.677.2312.23隧道右洞RA2.216.2410.40RB-0.781.133.29RC3.698.2513.64拱顶-1.600.381.98施工工序左洞开挖右洞开挖左洞下台阶施工右洞下台阶施工5 结束语综上所述，本文通过三维数值模拟及现场监控量测相结合的方法，对浅埋偏压隧道洞口段施工影响地表沉降的程度进行了全面分析，监控量测结果与数值模拟结果较为吻合。该隧道洞口段施工所采取的强支护、及早封闭成环等控制措施，在预防施工后因支护不及时而引发地表不均匀沉降方面效果良好，可为类似隧道工程施工控制提供实践经验。参考文献：1 胡仕明，杨伟红，李涛，等.公路隧道洞口顺层边坡变形规律分析J.岩土工程技术，2022，36（6）：477-482.2 宋战平，裴佳锋，潘红伟，等.浅埋偏压隧道洞口段超前大管棚支护效果分析J.现代隧道技术，2022，59（6）：86-96.3 李智，陈探，赵海斌.浅埋偏压连拱隧道洞口段施工技术研究J.广州建筑，2022，50（3）：50-55.165