浅埋隧道施工监测与三维有限元仿真模拟

2012-01-09郇澜

铁道标准设计 2012年1期

郇澜

(1.西安科技大学，西安 710054； 2.中铁二十局集团有限公司,西安 710032)

浅埋隧道由于其埋深较浅,隧道围岩多风化破碎,围岩受力与围岩和支护结构应力分布及变形情况复杂, 尤其是在埋深浅地形起伏大的丘陵地区,增加了隧道施工变形和稳定控制的难度,稍有不慎,就会造成塌方等安全事故发生。对隧道施工过程进行动态监测并采用数值分析方法进行施工过程仿真分析,能够较为全面地了解施工过程中围岩变形和支护结构的应力应变规律,从而认识浅埋隧道施工过程中变形规律[1-3]。

以昆仑隧道浅埋破碎围岩段为研究对象,通过对隧道开挖掘进过程中,围岩变形监测成果与有限元仿真模拟成果进行对比,得到施工过程中隧道围岩位移场变化规律,从而为现场监控和施工提供依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

昆仑隧道位于大埔县银江镇昆仑至大麻镇岌头村之间,本隧道为分离式长隧道,起止桩号左线zK42+180～zK44+975,长2 795 m；右线K42+193～K44+998,长2 805 m。

隧道穿越昆仑山,为丘陵地貌,起伏较大。隧道进口位于山体西坡,坡度较缓,基本与等高线正交,山上植被为桉树林,覆盖层较厚,出口位于冲沟南侧山嘴处,山间植被茂密,基本为松树、农田和灌木。隧址区内地层结构较为复杂,地质构造复杂,岩性变化很大,勘察揭露隧址区内存在有较多的断裂构造带,隧址区地层上部为第四纪残坡积层覆盖,下伏基岩为侏罗系漳平组(J2zh)砂岩、泥质岩以及前泥盆系(AnD)变质砂岩、板岩。隧道埋深较浅。隧道开挖断面高度为10.38 m,宽12.92 m。

1.2 施工方法

隧道进口Ⅴ级围岩采用3台阶法,施工方法如下：整个断面分为3个台阶,上台阶距拱顶5 m,其超前下台阶6～10 m；下台阶高3 m,超前仰拱10～12 m,左右幅错开开挖；仰拱高2.38 m,钢拱架安装完成后下先浇50 cm厚混凝土,然后回填片石混凝土至设计高度,其初期支护结构均采用格栅钢架H150和钢筋网外加26 cm厚C25喷射混凝土,上下台阶格栅钢架底部均设置锁脚锚杆,拱墙布置φ25 mm中注式锚杆,锚杆长度为3.5 m,间距：环向1 m,纵向0.75 m。二次衬砌为45 cm厚的C30模筑混凝土。

2 现场监控量测

2.1 监测项目及断面布置

隧道施工过程中围岩的变形是伴随开挖造成的围岩应力场重分布而发生的,因此对围岩变形的收敛观测是洞室开挖后围岩和支护各项动态变化的综合性因素最为直观的反映,是监控量测主要内容[4]。昆仑隧道在施工过程中采用拱顶下沉、周边位移收敛2种方法进行施工监测,具体见表1。断面的布置见图1。

表1 昆仑隧道施工监测项目

图1 昆仑隧道施工监测断面布置(单位：cm)

图2 昆仑隧道K42+400断面水平收敛曲线变化

图3 昆仑隧道ZK42+370断面水平收敛曲线变化

图4 昆仑隧道K42+400断面拱顶下沉曲线变化

2.2 量测成果与分析

通过对该隧道右线K42+400断面进行为期25 d的观测和zK42+370断面进行为期21 d的观测,得到拱顶下沉与BC测线周边收敛的监测成果。

(1)水平收敛(图2、图3)

监测开始到上台阶继续掘进12 m(6 d),隧道水平变形量较大,水平变形量占整个观测期变形量的85%左右。隧道水平变形量经过较大的增长后,速率减小,说明隧道周边收敛受掌子面掘进的影响变小。在监测开始到上台阶继续掘进20 m(10 d)后,水平位移基本收敛,变化很小,这是因为隧道掌子面向前掘进对监测断面影响不大和此时仰拱已经施做监测断面封闭成环。

(2)拱顶沉降(图4、图5)

拱顶沉降的监测时间与周边水平变形的监测同时进行,且测点布置在同一断面上。开挖5 d内沉降较快,沉降位移达到总沉降量的85%,此后沉降逐渐趋于平稳,经过10 d后,基本稳定。

通过对该隧道的水平收敛和拱顶沉降进行分析表明,隧道掌子面的推进和初支的封闭对围岩的变形影响较大。

图5 昆仑隧道ZK42+370断面拱顶下沉曲线变化

3 隧道施工过程三维有限元仿真模拟

3.1 模型的建立

在均质弹性无限域中开挖圆形洞室,由荷载释放而引起的周边介质应力变化在3倍洞径范围之外小于5%而在5倍洞径之外将小于1%[4-7],考虑工程的需要和有限元离散性及计算误差,计算范围在水平方向上左右分别取距隧道中心50 m,下边界取距隧道中心40 m,上边界取至地面。根据工程勘察报告,并结合《公路隧道设计规范》[8],选取的地层及初期支护的参数见表2。

3.2 模拟施工工序

基于表3隧道2011年3月9日～3月25日开挖进度,可以指导仿真分析中对模型的开挖进度设置。根据圣维南原理模型边界附近的力场变化对离这一区域较远处影响很小。因此,在有限元仿真分析中对模型两端的开挖没有严格按照实际的开挖进度,而是一次开挖10 m,中间过程按照实际施工过程进行三维有限元仿真模拟。有限元模拟的施工步骤：第一步为自重应力场计算；第二步为开挖上台阶10 m。其他步骤与现场实际施工相同,具体见表3。

表2 地层及初期支护的参数

表3 2011年3月9日～2011年3月25日隧道施工进度统计

3.3 计算结果分析

通过在断面K42+400选取如图1所示的拱顶沉降和两帮收敛的测点为特征点,可以计算出模型中断面K42+400在不同施工步中的相对位移情况,这一过程可将仿真分析得到的拱顶沉降和两帮收敛的数据与实际量测值比较,从而找到浅埋公路隧道在开挖过程中的围岩变形情况。

从表3可以看出,上台阶的起始里程为K42+395,在K42+400的上台阶施工日期是3月11日,那么仿真分析的第五步与实际开始量测相对应。图6、图7中横坐标为3月份的日期。为了更接近现场实际施工情况,将3月11日后的计算值减去3月11日前的累积变形值,记为换算值,这是因为在3月11日前隧道K42+400断面还没有开挖,实测值无法测量,而在仿真模拟中可以算出,该换算值与实测值具有可比性。

从图6可以看出,隧道拱顶下沉的计算结果的换算值和实测值比较接近。从图7可以看出在隧道开挖后水平收敛计算结果的换算值大于实测值。这是因为由于在地应力场的模拟计算中,围岩竖直方向的应力基本与隧道围岩自重产生的应力场比较接近。而水平向应力与实际情况误差较大,由于大地构造运动围岩水平向应力分布比较复杂,因此本次计算中对模型地应力场的简化可能是造成隧道水平向位移计算值与实测值较大的原因之一[9-10]。