天池坪隧道位移变形规律及控制措施分析

席俊杰，卢美嫣

(广东省公路建设有限公司，广东广州510000)

近年来，国内外对于隧道施工过程中围岩变形时空效应研究取得了一定的成果，并将规律应用到实际施工中，得到了良好的效果。北京交通大学的吴波，利用弹—黏塑性模型，对某城市浅埋隧道工程在开挖过程中地表和围岩变形以及围岩的稳定性进行了分析，对围岩的稳定性进行了成功的预报［1］。重庆大学的吴梦军，利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统(CTSSSRH)”，对大跨扁平连拱隧道的施工动态全过程进行了三维物理模拟，分析了围岩位移、应力随开挖步的变化规律，提出了大跨扁平连拱隧道施工时空效应［2］。重庆交通大学的翁其能，探讨了空间效应和时间效应相分离时隧道围岩及支护的变形特性，并就现场的变形情况进行了单独的分析［3］。但国内对于特定围岩隧道施工变形的时间空间规律研究较少，难以掌握较为准确的施工节点，在类似围岩隧道施工过程中缺乏相关的指导经验。

1 工程概况及试验段简介

新建兰渝铁路天池坪隧道位于甘肃省宕昌县境内，为兰渝铁路兰州至广元段的一座特长双线隧道。隧道最大埋深1 500 m，洞身沟谷中最小埋深86 m，隧道全长14 521 m。隧道洞身通过的地层主要为第四系地层洪积、坡积粗角(圆)砾土、碎石土、三叠系砂岩、板岩、灰岩及三者互层为主。该隧道所过地段未发育有断层。试验段里程DK286+482～DK286+492和DK286+512～DK286+525，对应的监测断面里程为 DK286+487、DK286+520。

图1 三台阶七步开挖法施工部序

两个试验段均采用三台阶七步开挖法施工，具体开挖方式及尺寸如上图1所示，试验段DK286+512～DK286+525在开挖上台和中台后，对左右侧基底增设加固锚管，从而在其他支护条件不变的前提下，试验通过增设基底加固锚管对隧道变形的控制作用。

将前期开挖断面与试验段开挖断面比较，前后围岩情况较为相似，主要围岩为炭质板岩，为薄层板岩，灰色，泥质结构，薄层板状构造，走向与线路垂直，倾向出口，受构造影响较重，岩体节理裂隙发育，扭曲现象多见，局部倾向进口，石质较软。兰渝铁路在该区域的其他隧道标段同样遇到炭质板岩大变形的问题，如图2。

图2 拱部围岩状况

2 有限元数值模型

由于对比需要，综合考虑模型网格划分及边界效应，建立两个三维模型，为了保证模拟结果比较的正确性，两个模型大样的长、宽、厚度及划分网格基本相同，围岩定级为IV级，相应的支护采用全环C25喷混凝土30 cm厚;拱部22组合中空锚杆，长6.0 m，间距1.0 m×0.8 m;边墙22砂浆锚杆，长6.0 m，间距1.0 m×0.8 m;全环布设H175型钢，间距0.6～0.8 m。试验段DK286+512～+525基底加固锚管每延米共4处16根6.0 m长42小导管。围岩及初期支护材料参数如下［4、6］:

表1 材料参数表

如图3中的模型大样，模型总宽度为110 m，总高度为100 m，总厚度为10 m，仰拱以下为47.56 m，隧道拱顶上覆土40 m，其余覆土用相应的压力值代替施加于模型顶部。

图3 数值模拟整体模型及支护结构模拟单元

3 实测数据曲线拟合及数值模拟结果

在隧道掘进过程中，隧道拱顶沉降的时空效应反映最为敏感，在同一里程点，拱部开挖工序先于其他工序，所以，其检测的数据结果也较为完整。在曲线拟合的过程中，利用数理统计软件SPSS将现场实测数据进行处理，以下为监测断面的实测位移曲线拟合图及数值模拟结果。

3.1 DK286+487断面数据结果

图4 DK286+487断面拱顶竖向位移数据

图5 DK286+487断面左侧拱腰竖向位移数据

图6 DK286+487断面右侧拱腰竖向位移数据

拱顶沉降对数拟合结果为y=－22.49+－61.816×ln(x)，相关系数为0.912。左拱腰竖向位移对数拟合结果为y=40.383+－64.757×ln(x)，相关系数为0.984。右拱腰竖向位移对数拟合结果为 y=47.802+－68.585×ln(x)，相关系数为0.961。

图7 DK286+487断面拱部竖向位移数值模拟数据

3.2 DK286+520断面数据结果

图8 DK286+520断面拱顶竖向位移数据

图9 DK286+520断面左侧拱腰竖向位移数据

图10 DK286+520断面右侧拱腰竖向位移数据

拱顶沉降对数拟合结果为 y=(－19.51)－45.687×ln(x)，相关系数为0.989;左拱腰竖向位移对数拟合结果为y=－31.339－24.796×ln(x)，相关系数为0.92;右拱腰竖向位移对数拟合结果为 y=52.172－44.192×ln(x)，相关系数为0.953。

图11 DK286+520断面拱部竖向位移数值模拟数据

3.3 综合分析

天池坪隧道采用三台阶七步开挖法，每台的作业速度为1循环/天，该循环作业包括开挖、钢拱架及锚杆安装、初期支护喷混凝土。施工现场每循环的进尺为0.6 m。通过相应断面拱部不同部位的实测数据曲线比较，发现采用增加基底加固锚管的DK286+520断面，在控制拱部沉降方面效果比较显著，如表2所示。

相比较DK286+487断面，DK286+520断面拱顶实测沉降位移减小32%，数值模拟沉降位移减小13%;左侧拱腰实测沉降位移减小53%，数值模拟沉降位移减小16%;右侧拱腰实测沉降位移减小58%，数值模拟沉降位移减小24%。从实测和数值模拟两方面结果看，在原支护基础上增加基底加固锚管对于控制碳质板岩隧道拱部沉降有良好的效果。

表2 不同断面拱部竖向位移表

位移－时间变化规律如下:DK286+487、DK286+520断面拱部沉降位移的变化分三个阶段，即急速增加阶段、稳定增加阶段、稳定阶段。拱部位移在急速增加阶段位移增加速度快，累加位移占总位移量的比重大，约为总位移的50% ～60%;在位移稳定增加阶段后期，位移增速有逐步放缓的趋势，累加位移占总位移量的比重相对较小，约占总位移的35%～40%。稳定阶段的位移基本稳定，但由于围岩应力重新达到平衡需要的时间较长，该阶段也可能继续有微小位移增长，该阶段累加位移占总位移量的比重约为0～5%。急速增加阶段为该相应部位开挖后1～13 d内，增加减缓阶段为该部位开挖后14～27 d内，稳定阶段为该部位开挖28 d后。

位移－空间变化规律如下:拱部沉降变形受到上台阶和中台阶的开挖扰动影响大，上台掌子面与拱部监测点的距离在0～6 m范围内，拱部沉降明显;上台阶掌子面与拱部监测点的距离超过6 m后，中台阶掌子面的开挖对拱部监测点的影响显现，中台阶掌子面与拱部监测点的距离在1.2～6.4 m范围内，拱部沉降速度逐渐减弱。下台阶开挖对于拱顶的沉降影响较小，当下台阶掌子面与监测点的距离超过2 m后，由于仰拱的施做，拱顶基本稳定。

4 结论

通过实测和数值模拟的结果比较，采用三台阶七步开挖法过程中，对上中台基底施作基底加固锚管能够有效控制拱部沉降。拱部位移变化期分三个阶段，即急速增加阶段(相应断面拱顶部位开挖后1～13 d内);增加减缓阶段(相应断面拱顶部位开挖后14～27 d内);稳定阶段(相应断面拱顶部位开挖后27 d后)。拱部沉降受到上台阶和中台阶开挖的影响比较大，当上、中台阶掌子面与拱部监测点的纵向距离在6 m范围内时尤为明显。下台阶及仰拱的开挖对于拱部沉降的影响较小。

［1］ 吴波.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析［J］.岩土工程学报，2004(3):340－343

［2］ 吴梦军.大跨扁平连拱隧道施工时空效应试验［J］.土木建筑与环境工程，2009(5):54－58

［3］ 翁其能，田卫明.公路隧道新奥法施工围岩位移时空效应分析［J］. 公路交通科技，2010(9):27－30

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［5］ 杨红军.时空效应下隧道的收敛变形预测及二衬合理支护时间［J］. 探矿工程，2010，37(2):69－73

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［8］ 李伟平.公路隧道穿越软弱围岩的变形与控制方法［J］.现代隧道技术，2009(2):44－49

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