隧道变形控制技术研究

张忠俊

(沈阳公路工程监理有限责任公司，辽宁沈阳 110168)

0 引言

隧道开挖和支护施工改变了其围岩的受力状态，形成松动圈，从而产生岩石分离、冒落、坍塌、拱顶下沉、拱顶鼓起和两帮侧移等［1，2］。高速公路隧道开挖后，由于回弹和应力重分布作用使得强度较低的围岩产生塑性变形，甚至发生破坏，造成施工不便甚至影响施工安全［3-5］。国内外学者对隧道开挖和支护施工引起的围岩进行了广泛的研究。张向东等［6］采用大型非线性有限元分析软件ADINA对隧道开挖变形进行数值模拟，建立二维有限元分析模型;采用ADINA自带的单元生死功能动态模拟开挖支护过程，对比全断面开挖法与上下台阶法开挖两种施工方法，分析两种方法对隧道围岩变形的影响。王义国等［7］基于灰色理论的GM(1，1)模型对隧道围岩变形进行了短期预测。孙元春［8］、Cheng Y M［9］、刘志春等［10］通过总结分析围岩变形3阶段的特点，结合隧道量测剖面的实测数据，对围岩变形的空间效应和时间效应进行了分析。王树栋［11］以宜万铁路堡镇隧道软弱围岩大变形段施工为依托工程，综合应用现场实测、理论分析、数值模拟和室内试验等手段，并引入人工智能技术对隧道施工期软弱围岩段变形机理进行了研究，对支护结构参数进行了优化，上述研究取得了丰富的成果。

本文依据抚通高速某隧道工程实例，利用大型有限元分析软件ADINA，建立2D平面简化隧道模型，对隧道开挖和支护过程进行动态模拟，研究隧道开挖和支护过程引起的拱顶沉降和两帮侧移规律，提出采用锚喷联合支护的方法控制隧道变形。将数值模拟计算结果和现场监测结果进行对比，分析了支护后围岩的变形情况，验证了数值模拟结果的准确性。

1 施工技术

1.1 隧道开挖

1)加强超前支护工作。

隧道进出口等地质条件差的地段均应采用大管棚注浆加固形式作为超前支护，管棚孔的外插角应以管棚末端不侵入隧道开挖轮廓线为原则，越小越好，一般应小于2°。

2)严格控制每循环进尺及爆破参数。

全断面Ⅰ级～Ⅲ级围岩循环进尺不宜大于3 m～3.5 m，台阶分步法开挖Ⅴ级～Ⅵ级围岩进尺宜0.5 m～1.0 m，围岩极差地段施工应采取辅助施工措施，各工序安排要紧凑，支护要及时，保证安全。

3)开挖质量控制。

爆破后的围岩面应圆顺平整，无欠挖，围岩面上无粉碎岩石、明显的裂缝和浮石。拱部破碎岩、土等Ⅵ级，Ⅴ级围岩允许超挖平均不大于100 mm，最大150 mm;边墙、仰拱、隧底超挖平均不大于100 mm。尽量避免欠挖，当围岩完整、石质坚硬时，容许个别岩石坚硬凸出部分进入衬砌，但不得大于5 cm。

1.2 初期支护

喷锚支护紧跟。喷锚支护要严格检测超前锚杆和系统锚杆的进深长度、间距，决不允许发生“长锚短打”的偷工减料现象。施工时应注意:

1)构件应架设在隧道中线方向的垂直面上，各排支护间应纵撑连接牢固，形成整体;2)支护结构形式应根据围岩级别而定;3)锚杆施工应在初喷混凝土后及时进行;4)钢架应垂直隧道中线，左右偏差不超过5 cm，紧贴岩面留有2 cm～3 cm的间隙作为混凝土保护层，并用纵向钢筋连接，置于牢固基础上;5)超前小钢管、超前锚杆应与钢架支撑配合使用;6)喷射用水泥应采用标号不低于32.5级普通硅酸盐水泥;速凝剂要求初凝不超过5min，终凝不超过10 min;喷射混凝土终凝2 h后应喷射水养护，养护时间不少于7 d。

1.3 二次衬砌

二次衬砌混凝土必须具有足够的强度、耐久性、抗渗性和可靠性。因此应严格控制混凝土的配合比设计、水灰比、单位用水量及粗骨料尺寸，合理确定混凝土的和易性、坍落度、流动性等各项指标。不允许出现蜂窝、麻面、强度不足、施工缝漏水、衬砌表面不平整等质量问题。隧道中线、标高、断面尺寸、净空及衬砌材料的标准规格必须符合要求。为保证衬砌不侵入建筑界限，在放样时可将设计的轮廓扩大50 mm。

2 数值模拟

2.1 建立模型及参数选取

依据抚通高速某隧道工程实例，建立2D平面简化隧道模型。根据岩体力学理论，地下开挖后所引起的扰动范围为开挖空间尺寸的3倍～5倍左右，超过该范围的岩体受扰动影响可以忽略不计，故模型尺寸取40 m×25 m，其中隧道尺寸为9 m×5 m，见图1。

图1 网格模型图

开挖过程为从右上开始先两边后中间对称开挖。支护方式为每挖完一个面加一层初衬，开挖全部完工之后，统一进行二衬支护。隧道岩体材料采用Mohr-coulomb模型，支护和衬砌结构采用Isotropic Linear Elastic模型，具体参数见表1。

表1 模型计算参数

2.2 模拟结果分析

图2和图3为总位移云图，图4和图5为侧向位移云图，图6和图7为竖向位移云图。

图2 无锚杆支护时隧道位移云图

图3 锚杆支护时隧道位移云图

图4 无锚杆支护时隧道侧向位移云图

图5 锚杆支护时隧道侧向位移云图

图2 和图3表明，隧道开挖会引起隧道围岩压力重新分布，拱顶下沉、拱底鼓起并伴随两帮侧移，减小隧洞尺寸，引起施工不便，甚至发生事故。单纯喷射混凝土的支护方法并不能阻止隧道围岩的变形，采用锚喷联合支护会改变隧道围岩的受力状态，降低围岩应力集中，显著减小隧道的变形。

图4和图5表明，隧道开挖会引起隧道两帮的侧移。且侧移分布沿隧道断面中心线对称分布，侧移方向为围岩指向隧洞。采用锚喷联合支护对减小隧道两帮侧移的作用并不明显。

图6和图7表明，隧道开挖会引起拱顶下沉，拱底鼓起。采用锚喷联合支护会改变隧道围岩的受力状态，降低围岩应力集中，显著减小隧道拱顶的竖向位移。

为研究隧道开挖变形随时间的关系，在隧道拱顶和两帮安装收敛位移计，监测支护完成后拱顶和两帮的位移。并利用有限元分析软件ADINA进行数值模拟，将数值模拟结果与监测值进行比较，如图8和图9所示。

图6 无锚杆支护时隧道竖向位移云图

图7 锚杆支护时隧道竖向位移云图

图8 拱顶位移监测值与预测值

图9 两帮位移监测值与预测值

图8和图9表明，开挖完成后，支护初期隧洞拱顶和两帮位移均变化较快，位移变形显著，变形速率较高，之后逐渐降低。在支护后的前28 d拱顶位移达到总位移(监测81 d的位移)的89%，28 d后变形增速放缓，最终达到稳定。在支护后的前25 d两帮位移达到总位移的89%，25 d后两帮位移趋于稳定，但仍缓慢增加。

3 结语

1)为确保隧道开挖安全，隧道施工作业必须坚持“短进尺，弱爆破，支护紧跟，勤量测，早封闭”的原则。在支护中加强超前支护工作，严格控制每循环进尺及爆破参数，初期支护和二次衬砌应严格遵守相应操作规程。

2)利用大型有限元分析软件ADINA对抚通高速某隧道开挖和支护过程进行数值模拟。数值模拟结果表明:隧道开挖会引起拱顶下沉、拱底鼓起、两帮侧移等，严重威胁隧道施工安全。结合工程实际，提出采用锚喷支护的原则，减小了隧道围岩的变形，保证了施工安全。

3)数值模拟结果与现场监测结果具有较好的吻合程度，验证了数值模拟结果的准确性。对比分析结果表明:开挖完成后，支护初期隧道拱顶竖向位移和两帮侧向位移增加较快，变形速率快。支护后的前25 d～28 d隧道围岩变形达到稳定。

［1］李晓红.隧道新奥法及其测量技术［M］.北京:科学出版社，2002.

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