粗面花岗质混合岩地层大断面隧道施工变形规律及预留变形量研究

杨泽平　陈峰宾

摘要：目前隧道预留变形量通常根据工程类比法进行设置，缺乏联系实际的理论指导极易造成资源浪费。针对深埋硬岩隧道的变形特点，以某粗面岩、花岗混合岩大断面隧道为工程依托，采用数值分析、现场实测等手段对隧道变形规律进行分析，优化隧道预留变形量。结果表明，新的方案能够很好的运用到该工程中，在一定程度上节省了开支，加快了工程进度。

关键词：变形规律;预留变形量;数值模拟;现场试验

分类号：U25

引言

目前，我国山岭隧道修建普遍采用新奥法进行修建，新奥法把围岩当做支护结构的基本部分，和支护结构共同承载，积极贯彻“允许围岩有适量的变形，以充分发挥围岩的自承载能力”。因此，预留变形量设置在新奥法中施工有着至关重要的作用。通常，隧道设计和施工一般是根据工程类比法确定[1]，预留变形量设置过小，围岩易侵限，造成初期支护、二衬厚度不足或隧道净空不满足设计要求;预留变形量设置过大，隧道开挖量增大，支护结构厚度增加，造成工期延误和造价增加。本文以某粗面岩、花岗混合岩Ⅳ、Ⅴ级地层隧道为例，采用数值分析、现场实测方法，对粗面岩、花岗混合岩Ⅳ、Ⅴ级深埋隧道预留变形量设置进行优化，为类似工程提供建议和参考。

1工程概况

某隧道设计为单洞双线隧道，起讫里程为DK30+425～DK43+399，设计长度12.974km，共设置4座辅助坑道，1号斜井长667m，2号斜井长896m，3号斜井长1420m，4号斜井长585m。隧址区地层岩性主要为：

1）侏罗系上统张家口组（J3z）喷出岩，为一套酸性及中偏碱性的火山喷出岩，主要岩性有粗面岩、流纹岩、凝灰质砾岩及粗面安山岩。2）燕山早期（γ5z）花岗岩，强-弱风化状态。3）太古界桑干群化家营组（Arh）花岗质混合岩，强-弱风化状态。

2围岩变形规律

围岩的变形量是指隧道开挖之后，围岩因失去约束而产生向坑道方向的收缩变形。围岩变形量在监测项目中为拱顶沉降与周边收敛。一般而言，围岩开挖后的总变形量μ包含隧道开挖前的超前变形μf、掌子面开挖后到量测工作开始前的变形μi及量测期间得到的累计变形μm等三部分，如图1所示，对隧道工程而言，最为可靠且可以利用的就是第三部分监测变形量。预留变形量设置包含μm与μi两部分，意在使围岩变形稳定后，刚好达到设计轮廓线位置，如此进行二衬施工，即节约材料又能保证衬砌质量。

3数值模拟分析

本模型采用FLAC3D有限差分软件来进行模拟，计算模型选取隧道两侧90m的岩体作为研究对象。模型沿隧道掘进方向（y轴方向）取360m，沿岩体深度方向（z轴方向）取160m。采用深埋隧道计算模型，模型所有面约束法向自由度，如下图。

（1）计算基本假定

（a）假定各岩层均匀分布，地层服从摩尔库伦屈服准则，不考虑爆破振动对地层变形的影响;（b）初期支护施做前，地层应力释放率按35%考虑;初期支护和二衬荷载分担比按7：3进行计算;（c）不考虑喷射混凝土龄期对初期支护效果的影响;（d）不考虑地下水的影响。

（2）算参数

（3）计算结果分析

由图3可知，IV级围岩开挖后，隧道上下部分围岩竖向变形较大，且对称分布。拱顶变形表现为下沉，最大量值为17.8mm;拱底变形表现为隆起，最大量值为28.2mm。围岩在水平方向上将产生向洞内的水平收敛，主要集中在边墙位置，最大量值为20.3mm。由图4可知，Ⅴ级围岩开挖后，隧道上下部分围岩竖向变形较大，且对称分布。拱顶变形表现为下沉，最大量值为26.7mm;拱底变形表现为隆起，最大量值为31.8mm。围岩在水平方向上将产生向洞内的水平收敛，主要集中在边墙位置，最大量值为37.1mm。IV、Ⅴ级围岩，变形大致分为3个阶段，第一阶段为急速变形阶段，隧道开挖1～7天，此时间段隧道围岩变形剧烈，拱顶沉降速率较大。第二阶段为过渡变形阶段，隧道开挖后8～15天左右，此时间段内拱顶下沉速率相对第一阶段明显减小。第三阶段为稳定收敛阶段。隧道开挖后16天后，由拱顶下沉位移开始趋于收敛，下沉速率近似为零。

4实测数据分析

4.1围岩时程变形曲线分析

本文着重对隧道周边收敛和拱顶下沉结果进行分析，测点布置如图5、图6所示。

拱顶下沉和周边收敛采用非接触式量测，采用高精度徕卡全站仪TS09Plus测量，量测断面布置和量测频率按照相关规范要求进行。

本文共统计该隧道IV级围岩段9个断面数据进行分析研究，即DK32+314～DK32+384，断面拱顶沉降和周边收敛监测曲线如图7、图8所示。

由图7～图6可知，典型监测断面变形规律类似，即随着时间的推移，沉降速率和收敛速率逐渐趋于减少，围岩趋于稳定状态。

从变化曲线来看，洞口段监测段断面从15d左右沉降速率逐渐降低，隧道围岩趋于稳定。

IV级围岩拱顶沉降一般在14mm以内，周边收敛一般在30mm以内。V级围岩拱顶沉降一般在20mm以内，周边收敛一般在13mm以内。

4.2围岩累计变形统计分析

为总体反映某隧道正洞围岩的变形情况，统计了自开工以来，正洞Ⅳ、Ⅴ级围岩的累计变形数据，Ⅳ、Ⅴ级围岩分别统计220个、183个量测断面，统计总断面数占全隧正洞設计断面数的95%以上。

依据以上Ⅳ级围岩累计拱顶沉降和净空收敛统计数据来看，15mm以内的量测断面占总量测断面的90%以上，25mm以内的量测断面占总量测断面的95%以上。Ⅳ级围岩极个别量测断面拱顶沉降和净空收敛累计沉降最大值达40mm。

依据以上V级围岩累计拱顶沉降和净空收敛统计数据来看，30mm以内的量测断面占总量测断面的75%以上，50mm以内的量测断面占总量测断面的95%以上。V级围岩极个别量测断面拱顶沉降和净空收敛累计沉降最大值达60mm。结合实际情况，同时考虑超挖带来的成本损失，针对粗面岩、花岗混合岩硬岩IV级围岩当预留变形量取40mm较为合适，V级围岩当预留变形量取60mm较为合适。

5结语

本文首先采用数值分析和现场实测，对粗面岩、花岗混合岩硬岩隧道，通过对比分析，主要结论如下：（1）通过数值模拟和现场围岩监控量测数据可以看出，实测拱顶下沉量和边墙收敛量与有限元结果基本一致，整体规律性相似，总体量值较小。（2）同时考虑位移损失，针对粗面岩、花岗混合岩硬岩IV级围岩当预留变形量取40mm较为合适，V级围岩当预留变形量取60mm较为合适。