软弱围岩条件下的隧道施工技术研究

张　红, 刘艳杰, 刘旭东

(1.河南质量工程职业学院 建筑工程系， 河南 平顶山　467000；　2.河南农业职业学院 园艺园林学院， 河南 中牟　451450；　3西南交通大学 交通运输与物流学院, 四川 成都　610031)



软弱围岩条件下的隧道施工技术研究

张红1, 刘艳杰2, 刘旭东3

(1.河南质量工程职业学院 建筑工程系， 河南 平顶山467000；2.河南农业职业学院 园艺园林学院， 河南 中牟451450；3西南交通大学 交通运输与物流学院, 四川 成都610031)

对在建工程六盘水隧道施工工艺进行研究，从理论与实际两个角度出发，结合有限元计算，验算了开挖过程中隧道的受力情况以及变形沉降情况，对施工路段进行现场沉降量的监测，及时将监测结果反馈给施工方。最终得到理论计算值的拱顶沉降量为15.31 mm，实际监测值拱顶沉降量为14.20 mm；对开挖过程中的围岩内力进行计算，可知最大弯矩值为4.92 kN·m，产生于洞口拱脚处，最大轴力值为172.4 kN，产生于洞口拱腰处，与监测结果基本符合，结果表明当前施工工艺具备较高的安全系数。

有限元计算; 变形; 隧道开挖; 沉降值

0　引言

我国地大物博，国土面积辽阔，各地区之间互通有无，公路运输显得十分重要。由于我国多山地与丘陵，修建盘山公路线路漫长，耗油量增多，给交通运输业带来不必要的浪费，相比于此，隧道建设因其独有的优势，是山地丘陵区域交通建设的首选方案。随着我国综合国力的不断提高以及建设水平的不断进步，针对不同围岩地质条件，隧道施工方案也有所不同[1]。在隧道施工建设中，新奥法是公路隧道建设的主要方法，该方法考虑全面，利用围岩的自稳定性能力，结合隧道开挖空间与时间效应，采取支护手段为将喷射混凝土与锚杆结合在一起，进行围岩的松弛与变形控制[2]，最终使得锚杆、混凝土以及围岩共同承载山体压力。

在软岩条件下，山体的开挖必然引起围岩的变形以及土体扰动，进而使得隧道发生变形位移，出现应力重分布问题。如果变形位移超过一定限度，就会危及地面建筑或者产生隧道事故，造成严重的生命财产安全问题。因此尤其是在软岩隧道施工建设过程中，必须对隧道变形进行实时监测，并基于沉降变形提出可靠性预测控制方法。针对隧道施工引起的变形问题，国内外都进行了较为深入的研究。在国外，美国科学家派克[3]提出了盾构隧道施工经验法，给出了地面沉降量的估算公式。日本在城市隧道建设中积累了大量经验，日本著名科学家半谷根据隧道覆盖层条件以及隧道开挖面给出了最大地面沉降范围，预测了最大沉降量[4]。在国内，方晓阳等人[5]在派克法基础上考虑了地层详细条件以及衬砌刚度施工条件等问题，得出了相应的最大最小沉降曲线，给出了一个沉降范围。隧道的变形沉降与围岩条件以及施工方案都是密不可分的，本文主要考虑软岩条件下的隧道变形，从理论计算与实际监测两个角度出发，对隧道工程的施工工艺以及隧道变形问题加以研究，旨在为隧道建设技术进步做出自己的一份贡献。

1　软岩特性与施工工艺

1.1软岩特性

软岩可分为工程软岩与地质软岩两大类，工程软岩指在工程力作用下产生显著变形的工程岩体。根据岩性划分，工程软岩指强度低，胶结程度差，含有大量膨胀粘性土的松散软弱岩层，该类岩石单轴抗压强度小于25 MPa，属天然复杂地质介质。隧道工程对围岩的硬度要求较高，根据围岩的硬度级别不同，必须研制合理的支护方案，在进行隧道工程时，首先需了解隧道围岩类型以及岩性分布。根据塑性变形机理不同，将工程软岩分为四类：膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩以及复合型软岩。隧道开挖后，原有天然应力遭到破坏，产生应力重分布，这种变化导致洞口发生变形，随着洞口变形，围岩发生扩容与拓展，力学性质不断恶化，当裂缝节理倾角大于300°时，存在较大危险性。尤其隧道穿过断层破碎带时，隧道稳定性难以维护，属工程不良地段。软岩失稳坍塌是由于开挖施工过程中引起的应力重分布强度超过围岩强度造成的，一般在隧道底板破坏形式为底鼓现象，侧帮破坏形式为溃曲性破坏，顶部破坏形式为塌落。

1.2施工工艺

以在建贵州六盘水隧道工程为例，六盘水隧道地质条件复杂，地层种类多样，包括冲洪积黄土状土、残破层碎石、泥质条带灰岩以及黑云斜长麻岩，属软岩地质条件。隧道施工工程因素主要包括隧道的方位、形状、断面尺寸、以及支护形式开挖方式等。六盘水隧道洞口采取椭圆形形状，圆形或者椭圆形洞口不会在边缘处产生应力集中。断面尺寸影响主要体现在跨度对隧道稳定性影响，跨度越大，施工过程中切断围岩结构面越多，导致天然应力破坏越严重。隧道开挖过程，结合软岩特性进行力学分析，采取台阶法进行隧道开挖施工，施工工况分为如下5个步骤： ①上台阶开挖； ②上台阶喷射混凝土及锚固； ③下台阶开挖； ④下台阶喷射混凝土及锚固； ⑤施作二次衬砌；如图1所示。

在隧道开挖掘进过程中，需及时进行支护结构施工，防止围岩形成较大塑性区，增强围岩稳定性。软岩支护形式采取及时锚喷支护(见图2)，锚喷支护后进行二次衬砌。

图1　施工步骤设计Figure 1　Construction procedure design

图2　喷射混凝土及锚杆结构图Figure 2　Structure of shotcrete and rock bolt

2　二维数值分析

对软岩隧道进行力学验算，采取二维数值分析法，制定施工方案、分析现场观测现象模拟工程不良工况，保障施工安全。通过施工力学数值分析，建立平面模型，研究了软岩隧道开挖以及初期支护、二次砌衬过程中的变形受力情况，为施工方案设计以及施工安全提供基础。

2.1有限元模型建立

假设围岩与衬砌为连续介质，采取实体单元模拟，梁单元由两节点组成，具备抗拉、抗弯、抗剪、抗扭刚度，单元位移计算如下所示，梁单元内力如图3所示：

u=zβy(x)

(1)

式中:μ为x方向位移;z为z方向坐标，应变与曲率计算公式如下：

(2)

(3)

式中:εb为弯曲应变;γs为剪切应变;κy为对y轴曲率。

2.2计算参数选取

图3　梁单元内力示意图Figure 3　Schematic diagram of beam element

根据《公路隧道设计规范》及隧道地质勘查报告，选取各物理参数如表1所示。

表1 隧道数值计算物理参数Table1 Physicalparametersoftunnelnumericalcalculation材料名称厚度h/m长度l/m弹性模量E/MPa泊松比u容重r/(kn·m-3)粘聚力C/kPa摩擦角φ/(°)侧压力系数e围岩10000.452050200.5加固圈13000.452065260.5喷射混凝土0.26210000.2523锚杆3.52100000.378.5二次衬砌0.5295000.1825

2.3二维计算结果分析

2.3.1地层沉降

图4、图5分别为上台阶开挖与二衬施作阶段隧道围岩竖向变形云图，由图可知: 围岩拱顶处产生最大下沉变形，地板处产生隆起变形。施工最大沉降量均产生在隧道中心线处，左右沉降逐步减小呈对称分布。在洞口的1～1.5倍直径范围内，等值线密集，可知隧道变形的主要影响范围为洞口直径的1～1.5倍。

图4　上台阶开挖Figure 4　Upper bench excavation

图5　二衬施作Figure 5　Lining construction

经数值模拟的拱顶最终沉降量为15.31 mm，其中上台阶开挖阶段拱顶沉降量最大，占施工阶段总沉降量的44%，上台阶支护阶段拱顶沉降量占35%，可知拱顶沉降主要是由于上半段开挖导致的，下台阶支护完成以后，沉降基本完成，各阶段沉降情况如图6所示。

图6　各施工步拱顶沉降图Figure 6　Settlement of arch crown settlement in each construction step

2.3.2二衬施作

图7为二衬施作阶段喷射混凝土轴力图以及弯矩图，由图可知，轴力弯矩均呈对称分布，弯矩最大值产生在拱脚处，为4.92 kN·m，轴力最大值产生在拱腰处，为172.4 kN。在施工过程中，必须确保拱腰处的锁脚锚杆施工质量，可对拱脚部位混凝土喷射适当增厚。

(a) 轴力值 (b) 弯矩值

Figure 7Axial force and bending moment of the shotcrete in the process of two lining

3　变形监测

隧道开挖施工过程中，需对围岩变形实施实时监控测量(见图8)，及时将获取监测信息反馈给设计施工，避免发生坍塌等安全事故。根据以往隧道监测成功经验，在监测过程中出现以下情况，需立即停止施工并采取处理措施: ①混凝土支护出现较大开裂； ②隧道支护结构变形超过控制基准值； ③监测数据出现不断增大趋势; ④时态曲线长时间变缓。

图8　拱顶与地表测点布置

3.1拱顶下沉监测

采用凿岩机在拱顶处开挖孔径为40～80 mm，深度250 mm的孔作为测点，测点布设间距20 cm，填满水泥砂浆插入预埋件，使预埋件稍孔处于铅锤位置，做好保护帽，待砂浆凝固后进行测量。测量仪器采用全站仪，数据采集采用JSS30型收敛计。测量结果如图9所示。

图9　测点时间-拱顶沉降曲线图Figure 9　Time settlement curve of the measured point

结合施工进度计划表可知: 7月12日～7月16日处于上台阶开挖阶段，沉降量为5.32 mm，7月16日～7月28日处于上台阶喷射混凝土锚固阶段，沉降量为3.45 mm。7月28日～8月18日处于下台阶开挖阶段，沉降量为2.99 mm；8月18日～8月27日处于下台阶喷射混凝土锚固阶段，沉降量为2.08 mm，此时拱顶沉降基本完毕，可进行二次衬砌，在二次衬砌阶段，拱顶沉降量仅为0.06 mm。监测沉降结果与理论设计值变化趋势以及数据大小(见图6)基本一致。

3.2地表沉降监测

地表沉降监测分为基点布设与测点布设，基点共设置6个，分别埋设在隧道正上方地表15 m以外两侧位置，所有基点与附近水准点联测，取得基点原始高程。测点预埋件采取平圆头钢筋制成，选取待测位置，隧道正上方为第一监测点，左右每间隔3 m布置一个监测点，监测半径为15 m，每一断面共布设11个测点，测坑开挖尺寸为200*200*200 mm正方体形状，放入测点预埋件，用砼填实，待砼固结，对所有测点基点加以保护。下方隧道开挖时即可进行实时监测，测点布置与隧道内沉降测量测点位于同一断面内，采取精密水准仪进行观测，自开挖阶段起至二次衬砌前期，沉降结果见图10。

图10　各测点地表下沉变化值Figure 10　Change of surface subsidence at different points

通过图10可知: 在软岩条件下，位于隧道正上方地表左右宽度10 m范围内均产生不同程度沉降，沉降值自隧道正上方沿两侧逐渐缓慢减小，没有突变，最大沉降值出现在隧道正上方，约为18 mm。

4　结论

本文研究了建六盘水隧道工程施工工艺，并基于现行施工工艺进行了力学数值计算与隧道结构变形监测，得出如下主要结论：

① 采取有限元软件对隧道受力情况进行验算，得到理论计算值拱顶沉降值为15.31 mm，最大弯矩值为4.92 kN·m，产生于洞口拱脚处，最大轴力值为172.4 kN，产生于洞口拱腰处。

② 施工部分进行现场沉降量的监测，得到拱顶实际沉降量为14.20 mm，位于隧道正上方地表左右宽度10 m范围均产生不同程度沉降，隧道正上方沉降值约为18 mm，与拱顶沉降值偏差不大。

③ 通过理论值与监测值对比可知，二者基本一致，表明现行的施工技术是安全可靠的，六盘水隧道地质条件复杂，软岩情况多变，需实时做好监测工作并及时反馈于施工部门，针对不同软岩条件做出相应的施工技术调整，以免导致事故。

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Research on the Construction Technology of Tunnel under the Condition of Weak Surrounding Rock

ZHANG Hong1, LIU Yanjie2， LIU Xudong3

(1.Henan Engineering Vocational College Construction Engineering Quality, Pingdingshan， Henan 467000， China；2.Henan Vocational College of Agriculture , Zhongmu, Henan 451450, China；3.Southwest Jiaotong University School of Transportation and Logistics, Chengdu, Sichuan 610031, China)

To study in the construction process of Liupanshui tunnel construction, from both the theoretical and practical perspectives of combining finite element calculation, checking the excavation process in tunnel and settlement deformation, for road construction site settlement monitoring, timely monitoring results feedback to the construction side. Finally get the theoretical calculation value of vault settlement value for 15.31 mm and actual monitoring value vault settlement for 14.20 mm; the excavation process of rock mass stress were calculated, shows that the maximum bending moment values generated in the tunnel arch foot, 5.08 kN·m. The maximum axial force value produced in the arch of the waist, 177.2 kN·m, and monitoring results basically accord with. The results show that the current construction technology has a high safety factor.

finite element calculation; deformation; tunnel excavation; sedimentation value

2016 — 05 — 31

河南省基础与前沿技术研究(132300410118)

张红(1977 — )，女，河南平顶山人，工程硕士，讲师，研究方向 ：工程测量与工程施工方向的研究。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0145 — 05