顺层偏压地段隧道施工模拟及监控量测结果分析

□文/张毅 马龙

顺层偏压地段隧道施工模拟及监控量测结果分析

□文/张毅 马龙

通过某隧道数值模拟与现场监测数据对比，验证数值模拟可以指导现场施工。同时为顺层偏压隧道施工提供了科学的施工措施。

顺层偏压；隧道；数值模拟；监控测量

堡镇隧道DK71+50～DK72+560段，隧道洞轴平行地层走向，岩层倾向山体（倾向右侧），倾角40°～50°，存在偏压，隧道埋深100～200 m，计算埋深为150 m，围岩为Ⅳ。为研究顺层偏压环境下隧道施工的安全性，采用岩土工程分析软件FLAC3D进行数值模拟。

1　计算工况

根据隧道地质情况，隧道采用三台阶五步开挖方法。三台阶五步开挖法适用于各种地质条件和地下水条件，根据围岩变化可通过调整循环进尺、支护参数、预留沉降量等措施，有效控制拱顶沉降、净空收敛；通过合理台阶高度划分，简易钻孔台架搭、拆方便、快速减少工序时间；三台阶顺序施工，出碴、锚杆施做、钢拱架架立等工序可平行作业，及时支护保证结构安全同时减少循环作业时间；适合各种断面形式，变化断面高度灵活。上台阶开挖后立即支护，开挖2 m一进尺；掌子面开挖（三台阶五步开挖方法）严禁左右侧对开，中台阶和下台阶两侧交错距离6 m，开挖2 m一进尺。隧道断面形式和三台阶五步开挖法见图1。

图1　三台阶五步开挖法施工顺序

2　计算模型及参数

2.1计算模型

此数值模拟时以Ⅳ级围岩设计支护进行参数选取，隧道Ⅳ级围岩。整个计算模型在x、y、z三个方向尺寸为70 m×50 m×204.2 m，y轴正向为隧道开挖方向，z轴向上为正。计算模型见图2、局部网格放大见图3。数值计算采用ubiquitous遍历节理模型，岩体的剪切屈服采用非关联的流动法则，受拉屈服采用关联的流动法则，隧道开挖采用null模型实现。

图2　flac3d三维计算模型

图3　局部网格放大

2.2计算参数选取

DK71+50～DK72+560段隧道主要穿越Ⅳ级围岩，因此，选取Ⅳ级围岩参数进行计算，加固圈参数按围岩参数提高30%考虑。初期支护采用加固圈和喷射混凝土，加固圈厚度为3 m，喷射混凝土厚度为20 cm，围岩和节理及加固圈参数见表1。

表1　围岩和支护参数

3　计算结果及分析

为了解隧道开挖后对支护结构的影响，本计算选取y=3隧道断面初期支护拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚应力进行监测以了解施工过程中支护结构受力情况，判断支护结构受力是否对称，对拱顶沉降、墙腰内部5 m内的位移以及最大水平收敛位移进行监测，防止隧道变形过大影响施工。

3.1应力分析

对y=3隧道断面初期支护拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚最大压应力进行分析。y=3断面在隧道开挖40步后围岩压力分别为拱顶4.8 MPa、左拱腰1 MPa、左拱脚1 MPa、左墙腰1.6 MPa、左墙脚0.8 MPa、右拱腰2.5 MPa、右拱脚4.6 MPa、右墙腰2.3 MPa、右墙脚1.7 MPa。可以看出隧道拱顶和右拱脚应力值比较大，拱顶最大压应力为4.49 MPa，右拱脚最大压应力值为4.64 MPa；隧道左侧围岩压应力比右侧小，由于断面处于单斜构造（倾向右侧），岩层倾角约50°，同时节理发育。隧道开挖后，右侧岩体失去了支撑力，在水平向侧压力的作用下造成岩体向隧道内变形，从而造成较大的围岩压力。而左侧岩体虽然存在下滑的不利趋势，但由于岩层间结合较好，没有软弱夹层，同时由于垂直于层面的作用力较大，因此制约了左侧岩体的滑动，从而左侧围岩压力较小。

图4为隧道围岩压力随开挖步变化关系。从图4可以看出，隧道各个位置的应力随开挖步增加而增加，但是应力值在第5步、12步、26步时有突变，各位置的应力值突然减小然后增加，这步数正好时开挖中台阶左部、中台阶右部、下台阶的时候。说明中台阶开挖破除了上台阶初期支护的下部支承，从而使初期支护围岩压力及初期支护应力都出现下降趋势，随后期边墙支护的施作而又受围岩应力释放影响而增大。下台阶及仰拱开挖也对上部测点产生同样的影响。

图4　隧道各监测部位压力随开挖步关系

3.2位移分析

图5为隧道各监测部位位移随开挖步关系。从图5可以看出，拱顶沉降、拱脚水平位移随隧道开挖趋于稳定，拱顶最大沉降为7.27mm，左拱脚水平位移为6.2mm，右拱脚水平位移为-4.78mm，水平收敛值为10.98 mm。

图5　隧道各监测部位位移随开挖步关系

表2为离洞壁5 m范围内围岩内部位移。从表2可以看出，在距离洞壁3 m深处，位移＜1 mm，说明基本达到稳定原岩区，因此设计加固圈半径3 m是合理的。

表2　围岩内部位移计算结果

4　现场监控量测结果

4.1初期支护围岩压力

本断面共埋设9个初期支护围岩压力测点，分别为拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙腰、左右墙角。拱顶压力为0.021 MPa、左拱腰为0.052 MPa、左拱脚为0.027 MPa、左墙腰为0.04 MPa、左墙脚为0 MPa、右拱腰为0.023 MPa、右拱脚为0.116 MPa、右墙腰为0.059MPa、右墙脚为0.043 MPa。最大围岩压力发生在右侧拱脚和右墙腰处，分别为0.116、0.059 MPa，右侧围岩压力大于左侧。

4.2初期支护混凝土应力

本断面共埋设9个初期支护围岩压力测点，分别为拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙腰、左右墙角。拱顶压力为5.323 MPa、左拱腰为2.642 MPa、左拱脚为0.955 MPa、左墙腰为1.577 MPa、左墙脚为0.596 MPa、右拱腰为5.89 MPa、右拱脚为3.48 MPa、右墙腰为3.151 MPa、右墙脚为2.151 MPa。最大应力为拱顶5.323 MPa，其次为右侧拱腰3.589 MPa。右侧围岩压力大于左侧。

4.3围岩内部位移

围岩内部位移测试结果见表3。

表3　DK71+120断面围岩内部位移观测结果

4.4净空收敛测试结果

墙腰最大净空收敛值为7.346 mm。

5　现场监测与数值模拟比较

由数值模拟计算可得，在岩层走向与隧道轴线一致，岩层倾角为50°时，隧道开挖后会产生偏压且右侧压力大于左侧，这与实际监测的结果是一致的。从图4可以看出，在开挖中台阶和下台阶时，初期支护压力突然减小而后增大，从实际监测数据中也可以印证这一点。模拟计算水平收敛位移为10.98 mm，而实际测量值为7.346 mm，虽然有一定的误差，但差值不是很大，这可能与监测和模拟的位置误差有关；从围岩内部位移比较看，虽然在数值上计算值与现场监测值不完全一样，但得出的基本规律是一致的，在距洞壁3 m处位移值＜1 mm，都说明采用加固圈半径3 m或锚杆长度3 m是合理的。

从以上几点可以得出，此数值模拟可信，能够模拟实际情况，能够指导实际施工。

6　小结

1）在岩层走向与隧道轴线一致，岩层倾角为50°时，隧道开挖后会产生偏压且右侧压力大于左侧。因此应加强右侧围岩的支护，根据岩层的倾向和倾角，右侧锚杆应垂直于层面。

2）在距离洞壁3 m深处，位移基本在1 mm左右，说明基本达到稳定原岩区，因此设计加固圈半径3 m或锚杆长度3 m是合理的。

3）在开挖中台阶和下台阶时，破除了上部台阶的下部支撑，使初期支护受力减小，施工中要尽可能保护好下部支撑。

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［6］周晓军，高杨，李泽龙，等.地质顺层偏压隧道围岩压力及其分布特点的试验研究［J］.现代隧道技术，2006，（6）：12-21.

□马龙/天津市地下铁道集团有限公司。

U451+.1

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1008-3197（2016）02-62-03

2015-12-22

张毅/男，1984年出生，工程师，硕士，天津市地下铁道集团有限公司，从事地铁建设施工管理工作。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.021