分离式隧道围岩支护体系稳定性研究

黄斌才

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京市 101300）

0 引言

伴随着新奥法在隧道工程作业中的推广与应用，在新奥法中现场的监控是一个非常关键的环节。实时、精准地开展施工场地的监测以及信息传递是这种体系的核心，借助收集反馈所得到的信息，计算出围岩稳定性，保证支护以及衬砌的安全可靠，矫正之前的数据，重新规划制定施工方案等给予原始依据，借此做到科学的设计，并有效提升其施工效益。同时随着信息化的深入、岩土工程的理念以及经验的积累，参数模拟在隧道建设的环节中更是受到了深入的运用，这是由处理岩体结构、围岩以及支护彼此之间的互相作用、围岩压力状况、围岩应力以及变形等所构成的大致形式。

1 工程概况

福建省泉州至三明高速公路三明市境路基土建工程某合同段处在三明市大田县境内，起点在石牌镇初坑村K142+840.000，终点止于三阳村清羊山K150+100.000。其中K143+000=YK142+995.809，长链 4.19 m；YK146+163.546=YK146+146，长链3.546 m。因此隧道的总长度为7.267 737 km。

本文结合三阳隧道进口段K147+990断面来作为分析对象，上部Ⅴ层碎石土以及凝灰岩的宽度在2.6～4.7 m；其围岩的种类大多都是弱风化凝灰岩，总的来说整体围岩地质不是很好，为Ⅴ级围岩。

为提升该隧道施工质量以及安全性，选用了新奥法来开展施工，隧道衬砌选用C25防水混凝土，将其厚度控制在35～55 cm，选用12、16钢筋组成双层钢筋网，彼此之间间隔20 cm。详细隧道断面以及衬砌架构如图1所示。

图1 隧道断面与衬砌结构图（单位：cm）

2 隧道围岩-支护体系稳定性判据

就隧道围岩以及支护模式的自身安全与稳定情况，各个国家之间的分析形式都有所差异，相对较为直接的是变量体现为相对位移、速率、时态曲线的特征等。工程开始后其唯一时间的曲线能借助数值模拟设计以及监控量测两者融合的形式来确立，这是围岩以及支护在力学角度上的一种直接反馈[1]。本文借助相对位移以及速率来作为判定标准，掌握之前隧道的大致地理特点，根据相关的工程标准以及资料，在明确该隧道周边可承受相对位移数据（见表1）的前提条件下，用数值模拟以及监控量检测数据来开展对于支护模式稳定性的评定。

表1 三阳隧道附近可承受范围内的相对位移表 %

3 数值模型

3.1 数值模型的建立

（1）因为隧道中轴方向的长度要比其径向的程度大，能依照其中轴的方位选择宽度，并将这个问题当作水平应变来处理[2]。

（2）依照该隧道的实际尺寸以及塑性力学特点来开展类比，通常会选择3～5倍的半径来当作分析区间。该模型选用隧道两端各40 m，下层直到隧道底层30 m，上层直到地面，因为其截面表层相对平整，从工程应力的角度上来考虑，其作用不是很明显，所以依照水平表面来解决。隧道埋深依照现场实地，一般取25 m左右，洞心距离左右控制在28 m。模型的两端设置为横向束缚，底层定义为固定束缚，上边界作为自由表层。

（3）依照时间的形变特征与其材质上的特点，该模型选用弹塑性本构体系来作为基础，以摩尔-库仑准则来作为基础[3]。

3.2 参数的选择

依照数据构建起来的准则，在开展分析的环节中，Ⅴ级围岩以及上层风化层的具体数据根据隧道和对应的试验来明确，最开始的支护选用各种同性弹性模量以及参照数据，计算过程中不做二次衬砌的考虑。

就节理发育的岩体而言，常规的认知是将锚杆当作连接被破坏围岩的一种形式；但从力学角度来看，其主要作用就是强化岩体的综合强度以及抗剪程度。所以就锚固位置而言，大致是借助提升围岩的E、C、值来进行分析。

4 开挖过程模拟

依照实地施工状况与分析模拟的要求，隧道的开挖借助先左后右、由上及下的顺序来进行。

在实际的支护时，运用null模型进行模拟挖方，借助各个方向的同性弹性模型以及变化最开始时期支护结构的材料性质来拟定隧道的早期支护；在开展监测数值模拟的环节时，就隧道左洞附近的位移大小来开展，监测的地点是在左侧墙、右侧墙以及拱顶处（见图2）。

图2 隧道开挖工序

5 监控量测及结果分析

5.1 监控量测

依照FLAC的分析数据结论，大致选取左洞K151+700断面来开展监控量测，其区域大致包含有底部、右拱腰以及左、右拱脚这四处，其过程严格遵守对应的法律法规要求。在经历长达30 d的观察数据，根据数据描绘出位移-时间图[4]。

5.2 结果分析

（1）回归分析。根据施工量测取得的结果存在一定程度上的离散性质，其中包括有偶然误差的作用。在隧道监测结果论证的环节中，最关键的就是处理好u与t之间的关联，也就是借助u=f（t）的函数模型来绘制出时间-位移图，并将其离散点进行对应的整合。因为测量的数据存在误差以及干扰的情况，所以制作出来的图像是不规则的；其应力u随着t数值的提升而增多。本文借助的非线性回归方程作为其函数模型：Y=A（1-e-bx）。

借助数据可算出其函数是Y=5.167（1-e-0.2859x），这个函数的回归性分析的系数为R=99.05%，其检测的数据已经达标，说明该隧道的拱顶围岩沉降的最后数字是5.167 mm。

（2）检测数值同数字模拟数据进行比对。把数值模拟的数据和检测的数据放在同一个图像中，以此来绘制出时间-位移图（见图3）。通过比对，不难看出两者之间基本处于一致的状态。在隧道开始挖方时，拱顶的沉降开始出现较大的变化；在上台阶支护工作完成后，其变形的速度降了下来，但伴随着隧道的持续进行，拱顶的沉降速度也受到了一定程度的影响，构成一种波浪形的曲线；在过程结束后，其在支护阻力的影响下开始逐渐稳定下来[5]。

从最后的位移距离上出发来研究，模拟数据要略大于检测数据，主要是由于数值模拟过程中没有考虑二次衬砌体系的作用；从相对位移的角度出发，挖方工作开始后，虽说在拱腰以及边墙出现了其所对应的塑性区，但对应收敛的最大数据只有0.07%，要比附近可承受的相对位移数值小很多。根据以上的分析可知，该隧道的安全系数相对较高，其支护模式较为可靠；但其采用的支护数值还是相对保守了一些，在条件允许的前提下可下调其支护的数据。此外还可以适度地推延支护工作的开始时间，这样一来就可将围岩的松动压力全面释放出来。

图3 实测数据与回归分析曲线对比图

6 结语

综上所述，借助对先前隧道开挖支护开展数据模拟与施工量测数值的全面剖析，可总结出下面几个结论：

（1）有限差分数值模拟数据表明，隧道周围拱体两端到边墙周边有着范围较大的塑性区域。其左洞的最大横向收敛值是3.69 mm，两面墙的极限位移距离是1.79 mm与2.01 mm，极限下沉出现在拱底部分，下沉的数值是5.17 mm，而仰拱的极限隆起数值是4.91 mm。

（2）就监控量测的数值开展非线性回归讨论，获取各个地点的时间-位移图，并研究图像特征，与数值模拟的数据开展对比。对比之后可以得出，相对收敛值的极限数据要比其附近可承受的位移量高出很多，隧道的安全储备相对较多，得出该隧道的支护模式相对较为稳定。

（3）借助有限差分数值模拟以及回归分析两者融合的形式来分析其支护模式的稳定性质以及可靠性，可为该隧道的动态设计带来理论技术层面上的支持。