山岭隧道超前加固三维模拟及变形控制规律研究
时间：2023-01-25 16:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林 楠（上海建科工程咨询有限公司， 上海 200092）
在软弱围岩内进行隧道开挖的过程中，复杂的围岩特性致使隧道“支护-围岩”相互作用表现出极强的不确定性[1-3]，隧道变形与破坏表现出明显的时空效应特性，易发生大变形等工程行为[4-5]。在此过程中，隧道超挖量、围岩稳定性及支护体系安全难以预测和评价，常用的做法为通过综合考虑围岩的相对变形、强度应力比及原始地应力等参数，给出挤压性围岩隧道大变形分级标准及控制方法[6-7]。因此，可以通过合理的手段，进行围岩变形及应力等计算，由此评价隧道是否安全，并探究相关的控制措施。
为探讨管棚等控制工艺对于软弱围岩区隧道沉降的控制机理，并分析施工顺序和控制措施对于上述过程的影响，笔者以IV、V类围岩隧道开挖为背景，通过PLAXIS软件进行三维开挖模拟，分析了有无管棚条件下隧道开挖全过程中变形发展规律的不同，提出了管棚施作区域及时机等科学化建议。
在软弱围岩中的隧道开挖，常采用台阶分布开挖留核心土的施工工艺，并在开挖前进行小导管或管棚超前支护，以保证施工安全，具体方法如下所述。
1.1 开挖步序及工艺
在IV、V类围岩段，隧道采用环形开挖预留核心土法开挖，结合钢拱架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土形成锚喷支护，Ⅳ级围岩破碎带采用台阶法开挖，支护可采用工字钢拱架、钢筋网和喷射混凝土等形成初期支护，仰拱超前施作及时闭合形成稳固的初期支护系统，保护隧道周围围岩的天然承载能力，有效控制围岩变形，使开挖支护过程中围岩的受力及局部失稳和破坏转变为稳定和平衡的状态。依据监控量测数据反馈指导施工，及时调整支护参数和衬砌混凝土时间。
图 1 隧道开挖分区图
如图1所示，本次模拟的背景工程，以相隔32.5 m的两个邻近开挖面为研究对象，首先开挖关键断面1的上台阶并支护，然后开挖核心土，接着开挖中台阶并进行支护，随后开挖下台阶并进行支护，最后依次施作仰拱和二次衬砌结构。开挖断面2采用同样的开挖顺序，同时依据台阶法的施作要求，上、中、下台阶一直保持10 m以上间距，仰拱位于下台阶前1 m处，二次衬砌位于仰拱前10 m处。其中，当上台阶开挖至关键断面1前0.5 m处时，核心土开挖至上台阶前5 m，中台阶与上台阶保持10 m以上间距。在完成上、中、下台阶开挖及内施做初期支护后，在中墙底部施做锁脚锚杆。
1.2 超前管棚加固
在具体施工流程中，在Ⅳ级围岩破碎带，间隔0.4 m在图2所示区域内布置Φ108 mm×8 mm管棚进行超前加固。施工前，以二衬外轮廓线以外30 cm画出管棚中心线，从洞顶开始布孔，左右各19根，长度为30 m。钻孔采用φ120 mm钻头，用潜孔钻机钻眼，施工顺序从顶向两侧进行。钻孔完成后利用钻机将外径φ108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管（预先将前端制作成锥状尖管，管壁四周钻φ10 mm压浆孔，间距15 cm，梅花形布置）顶入孔内，施工时第一节钢管采用3 m和6 m两种长度的钢花管，其余节数均采用6 m长的钢花管，以保证同一截面接头不超过50%。
图 2 管棚加固范围及监测点设置图
2.1 模拟方法
为模拟软弱围岩中采用管棚施工对变形控制的效果，进而评价和保障隧道安全，采用PLAXIS软件，建立如图3所示的三维模型。模型中管棚区采用等效刚度法进行模拟，并如图4所示，连同锚杆分步进行施加。
图 3 三维数值模拟模型图
图 4 超前管棚加固示意图
根据文明等[6]对参数建议，有限元模拟所采用的支护及围岩概率参数选取如表1所示。
表 1 支护及围岩参数取值表
2.2 实测对比
选取模拟断面变形结果，以k9+912断面为例，模拟结果先是开挖完成后沉降为16.4 mm，根据现场实测数据，拱顶沉降16.2 mm。与实际符合，验证了计算的准确性。
3.1 变形规律及控制效果
采用第三节所述模型对典型断面开展开挖模拟，并分析在有无管棚的不同条件下，断面沉降及开挖全过程变形的差异。断面沉降数据及沉降变化趋势，如表2和图5所示。
图 5 开挖全过程断面沉降变化趋势图
表 2 断面沉降数据 单位：mm
通过对比图5所示各观测点有无管棚的两种情况变形发展规律，可明显看出，采用管棚进行加固时，对拱顶的沉降的控制有明显的作用，其作用的形成有赖于整体管棚体系的形成。从模拟结果上看，管棚初期施作对于沉降控制作用较小，直至右-左-中整体管棚形成后，对变形的发展起到了良好的约束作用。
同时，从变形发展趋势来看，变形发展最快时段为上台阶及核心土开挖阶段，尤以核心土开挖阶段最大，因此在核心土开挖前应尽量完成管棚的施作。
3.2 安全控制措施
无中隔墙连拱隧道在施工中存在一定风险，主要是后行洞靠中夹岩侧围岩的稳定性较差，以及两洞初期支护相连处的应力较大。因此，在施工中应采取如下安全控制措施。
（1）为保证后行洞夹岩侧围岩稳定，在先行洞施工时也应对该部位施作一些小导管，以增加该部位底端围岩的稳定性，而且该部位在施工中应严格控制纵向施工长度，同时增大两洞相连处初期支护的强度和刚度。
（2）在设计时，考虑在隧道初支的局部衬砌位置加设钢筋网及锚筋，施作时间为后行洞开挖后，以缓解初支结构在后行洞开挖后应力突增，达到保护隧道先行洞衬砌结构的目的。
（3）无中隔墙连拱隧道初支的隧道顶部围岩，受力复杂，应力集中现象严重，变形较大。计划除按规范要求，沿隧道洞周径向施作全长黏结型注浆锚杆外，对于不良地层初支顶部围岩施作注浆小导管或管棚，加固顶部围岩。
（4）为使钢拱架更好地发挥作用，施工过程中应尽量使左右洞初期支护中的钢架处在同一断面，且应确保左右幅工字钢连接处焊接牢固。同时，于后行洞开挖时，钢拱架应及时搭接，使初支形成一个受力整体。
（5）隧道左右幅压力均集中于中间部位，针对上述情况，在施工过程中将着重把控隧道测中线顶部三角区域和拱脚底部的基地注浆措施，用以加强围岩自稳能力和基地承载力，减少隧道顶部岩体对隧道的压力。隧道仰拱部位及时跟进，做到早封闭，及时成环以分担局部集中荷载。
本文针对软弱围岩中隧道开挖变形及安全控制难题，采用三维有限元方法，分析了有无管棚等加固方法条件下隧道开挖全过程变形发展的规律，并分析了有无加固对变形发展的影响，得到如下结论：
（1）管棚对变形的控制效果受其布置范围影响，管棚施作初期对围岩约束作用不强，对变形控制作用有限，当管棚形成整体后，方能有效控制变形发展；
（2）上台阶及核心土开挖阶段变形变化较大，在此之前应完成管棚的施作。
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