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某隧道洞口段围岩变形特性模拟及施工方案研究黄峻峰

发表时间：2021/4/12 来源：2020年《建筑模拟》第14期作者：黄峻峰

[导读] 本文依托山茶花隧道进洞位置是典型的软弱围岩进洞案例进行分析，该洞口位于坡积体上，洞口稳定性差。根据该隧道理论分析、施工情况及监测结果，对隧道洞口可能的破坏形式进行分析。在管棚超前支护条件下，结合施工具体工法，模拟单侧壁导坑法各施工工况，得出隧道洞口软岩段掘进段的工法选择及超前支护结论及建议。根据数值模拟分析找出风险点，实施中结合监测数据修正支护措施，最终得出理论分析与实际结果的差异和相同点，总结其

        中铁城市发展投资集团有限公司四川成都 610000
        摘要：隧道洞口段通常被视为整个隧道工程的“咽喉”，是隧道安全顺利施工的关键部位。隧道洞口段埋深均较浅，所在地层通常是软弱松散的，风化严重的、坡积或常受地表水冲刷的软弱岩层，况且围岩自身承载能力弱，需要采取超前支护辅助措施进行加固。本文依托山茶花隧道进洞位置是典型的软弱围岩进洞案例进行分析，该洞口位于坡积体上，洞口稳定性差。根据该隧道理论分析、施工情况及监测结果，对隧道洞口可能的破坏形式进行分析，进一步探索超前支护参数分析其作用机理。在管棚超前支护条件下，结合施工具体工法，模拟单侧壁导坑法各施工工况，得出隧道洞口软岩段掘进段的工法选择及超前支护结论及建议。根据数值模拟分析找出风险点，实施中结合监测数据修正支护措施，最终得出理论分析与实际结果的差异和相同点，总结其规律。
        关键词：隧道洞口；围岩变形；施工模拟；管棚施工；单侧壁导坑法

        1引言
        现如今，我国交通建设在国家计划中处于重要地位，特别是在多山地区，为了穿过山体，我国在建、规划的隧道工程的数量不断增加。由于地质条件及路线线型的限制，隧道工程往往不可避免会穿越浅埋地段、破碎岩层、软弱岩层等特殊地段，在这些特殊地段进行隧道工程的施工，易导致隧道坍塌，洞口边坡发生滑坡，支护结构产生过大的变形，甚至发生变形破坏事故，是工程安全事故高发区。对隧道进洞工法及超前支护措施工分析研究是隧道安全实施的关键点。本文研究的山茶花隧道埋深较浅，地质条件为碎石坡积体，在现场未进洞的边坡施工过程中发现该土体变形较大，推测洞口实施过程中隧道洞口段变形较大，且极易发生坍塌冒顶等事故，洞口范围坡度为31.3%，隧道洞门地质剖面图图见图1。


        图1 隧道洞口平面图及地质剖面图
        2隧道洞口段围岩变形特性分析
        2.1 隧道洞口软岩段围岩变形影响因素
        根据山茶花隧道具体情况，分析影响其稳定性的各项因素。对于隧道洞口工程稳定性所开展的设计和控制工作，关系到整个项目是否顺利完成。洞口位置具有十分特殊的地质特征、水文环境等，所以需要对变形、失稳等问题全面分析，阐述各种作用因素，随后明确洞口边仰坡以及围岩结构的变形破坏机制，对破坏类型进行梳理，形成更多的稳定控制方法。现着重从以下几点分析隧道洞口安全影响因素。
        （1）岩体性质
        山茶共隧道进口部分处在斜坡下部小规模山脊地带，从总体上来看，斜坡外观似裙边状，出口位置分布着大面积的堆体，整体呈现出阶梯状。从岩层进行划分时，主要含有含砾粘土、碎石和角砾等。而具体来看，含砾粘土部分对应为可塑～硬塑状，碎石和角砾等为稍密状，岩性较差，遇水则会发生软化现象。受到施工扰动时，岩体自身无法形成有效的承压拱，稳定性较差，易诱发滑动变形，出现滑坡和塌方现象。
        （2）水作用
        山茶花隧道水作用大致分为两种，一是地表水的作用，主要是场区区域的沟溪、河流及降雨产生的水流；二是地下水的作用，存在于地面以下岩石空隙中。隧道洞口段上方覆盖土较薄，离地表很近，土体大多为松散破碎、长期受风化作用的软岩，遇水极易软化，故地表水对隧道洞口段的影响是非常大的。特别是多雨季节和地区，连日降雨会使隧道上方土体遭受冲刷，破坏岩土体的稳定性，削弱围岩强度，极易发生滑坡事故。经现场钻探及查看隧址区地表植被覆盖，相对减小了对水的影响，钻探未显地下水，主要是地表水。
        （3）地应力
        山茶花隧道待研究段洞口位于松散堆积体，无构造地应力，主要地应力是自重地应力，所以该项的影响较小，模拟其自重应力即可。
        （4）施工影响
        自然状态下山体是处于稳定状态的，而隧道开挖直接破坏了围岩稳定性，是引起围岩破坏的重要原因。隧道开挖时，扰动了岩体的稳定性，改变了岩体的原应力平衡条件，破坏了隧道围岩的原应力，是隧道围岩失稳的直接原因，特别是在不良地质地形条件下由于浅埋、偏压、围岩破碎、开挖隧道跨度大，更容易引起隧道围岩失稳。当出现围岩变形过大、支护结构开裂、隧洞渗水透水等异常情况时，应更改开挖工法，及时对大变形段进行加固。
        （5）地震影响
        山茶花隧道位于地震频发区，地震对其实施有一定影响。隧道洞口段往往位于软岩破碎带，具有上覆土自身稳定能力比较差且厚度较薄、偏压现象等特点，在地震出现前，隧道附近的岩体已经出现了相应的塑性变形，其自身还面临着岩体部分所形成的静止压力。
        2.2 隧道洞口软岩段围岩变形破坏形式
        根据现有研究和山茶花隧道实地观测，预判山茶花隧道洞口软岩段的围岩变形与破坏主要有四种形式：局部塌陷破坏、拱形塌方、异形破坏和膨胀性破坏。四种变形破坏形式及其成因总结见表1。
        表1 围岩变形破坏形式及成因

        3. 隧道洞口段掘进施工模拟
        3.1 数值计算模型
        结合山茶花隧道洞口的上述特点，山茶花隧道洞口在数值模拟分析阶段，选择的超前支护为108大管棚支护，施工工法上采用单侧壁导坑法。单侧壁导坑法数值模型图如图1。隧道的开挖与支护过程是用 MIDAS/GTS 中的“Hide”和“Show”两个功能进行模拟。由于隧道的开挖与支护是一个反复循环进尺的过程，采用MIDAS/GTS 中的施工阶段建模助手来模拟整个施工过程，可以减少重复的“Hide”和“Show”。

        图1 单侧壁导坑法模型图
        3.2 围岩位移分析
        针对预判的破坏情况，针对关键部分的变形及破坏情况，最大限度模拟分析单侧壁导坑法每步开挖时围岩位移变形规律，现将一个开挖进尺循环内的施工步骤设置为六个步骤 S1～S6，见表2。
        表2单侧壁导坑法开挖步骤设置表



        （c）S3 围岩竖向位移云图     （d）S4 围岩竖向位移云图

        （e）S5 围岩竖向位移云图    （f）S6 围岩竖向位移云图
        图2 六个施工步的围岩竖向位移云图
        每个阶段的竖向位移计算结果云图如图2所示，由图2可知：
        S1左上导洞开挖，对周围岩体造成扰动，围岩发生卸荷现象，洞室上部出现沉降现象，最大沉降出现在左拱肩区域，为4.76mm；同时洞室底部发生隆起现象，最大隆起值为 12.5mm，此时洞室内尚未施作支护措施。
        S2左下导洞开挖，对周围岩体扰动行为增大，洞室沉降影响范围扩大，最大沉降量仍处于左拱肩区域，为7.29mm；此时洞室底部隆起影响范围增大，最大隆起值为 16.44mm。对中隔墙进行锚杆加固和喷射混凝土临时支护措施，使洞室右侧位移变形量均有所减小，从2.98mm减小到2.51mm，说明中隔墙临时支护能有效地控制围岩位移变形。
        S3开挖过程中，最大沉降量也在不断增大，最大沉降量此时仍然处在坐左拱肩处，数值为7.95mm。
        S4 阶段隧洞已基本开挖成型，最大沉降值及最大隆起值均发生转移，分别位于右拱肩处和右洞底部，数值为11.53mm和20.62mm。
        S5对中隔墙临时支撑完成拆除，同时围岩竖向位移变形增大，最大沉降值和最大隆起值已慢慢向拱顶及底部中心处转移，最大沉降值为16.84mm，增大46.1%；最大隆起值为 27.27mm，增大32.3%。
        S6完成二次衬砌及仰拱施作，隧洞竖向围岩位移变形基本关于隧道中心线呈对称状态分布，最大沉降值在拱顶区域为20.12mm，最大隆起值在底部中心线区域为28.93。随着隧道继续掘进，此断面的围岩竖向位移变形量仍不断增大，但增长速率减小，最终达到稳定状态。
        3.3 围岩应力分析
        单侧壁导坑法围岩竖向应力、水平应力计算结果如图3所示。单侧壁导坑法拱顶、边墙和拱脚三个测点的竖直方向应力值分别为-0.016MPa、-0.263MPa和-0.351MPa。单侧壁导坑法拱顶、边墙和拱脚三个测点的水平方向应力值分别为-0.068MPa、-0.131MPa和-0.153MPa。采用单侧壁导坑法开挖，围岩的竖向应力和水平应力较小。单侧壁导坑法的中隔墙临时支撑对围岩竖向应力起到了降低影响。

        （a）围岩竖向应力云图         （b）围岩水平应力云图
        图3 单侧壁导坑法围岩应力云图
        根据目前数值模拟分析在工程应用中首先看趋势及破坏点位，不纠结于具体破坏绝对值。根据分析结构显示变形最大位置位于隧道底部，显示为隆起变形，次之为拱顶变形。而实际工程中对于碎石土中（有水压及膨胀性土体除外）隧道底部变形对隧道安全影响相对拱顶变形要小，实施过程中重点关注拱顶变形，同时该洞口位于斜坡上，隧道洞口向前变形的数值也是本次关注的重点。
        4. 隧道施工监测数据反馈及分析
        4.1 隧道施工及监测数据情况
        山茶花隧道洞口施工时严格按照设计执行，同时兼顾本次研究监测需求，分别对隧道洞内，隧道表面，洞门位置进行了监测点布设。施工时首先对隧道洞口小范围刷坡，以便于施作洞口大管棚及提供施工工作面。刷坡期间，山体有向前滑移趋势，向前变形数值累计最大达23mm，在变形过程中，现场查看了地表是否有滑坡迹象，通过地质人员现场配合，各方参与后确认该位置不具体滑坡的几大要素，认定该变形是正常的卸载变形。在管棚形成以后，施工单位按照设计工法进行开挖，在隧道施工过程中该位置发生了数次3到4级地震。地震隧道变形有一定影响，表现为隧道初支侧壁上出现裂纹。在整个开挖过程中隧道顶部出现持续变形，最大变形接近60mm，远大于理论分析值。综合来看，该段施工后监测数据显示该部隧道洞口施工有以前特点：
        （1）隧道拱顶变形量大。软弱围岩的主要特征是隧道开挖后会产生明显的塑性变形。特别是地震时表现为初期支护开裂严重，如喷射混凝土开裂脱落。本工程未出现钢架变形，二次衬砌混凝土发生开裂。
        （2）变形持续时间长。软弱围岩不仅初期变形迅速，而且持续时间长，流变特性明显。许多研究表明，软岩隧道开挖后，支护或衬砌上的压力长期变化，可以解释为软岩蠕变的结果，本隧道最终变形是稳定到一定变形值。
        （3）围岩破坏范围大。软岩隧道围岩塑性区扩大，显示为地表一定沉降影响。但本次设计施工支护及时，结构刚度、强度足，没有发生围岩大范围破坏。
        （4）变形破坏形式多样。软弱围岩隧道的变形破坏形式一般表现为喷射混凝土开裂、初期支护变形及极限侵入、钢框架变形及变形、洞底鼓包、拱顶坍塌等。
        4.2 对监测数据的分析
        对监测数据的分析显示山茶花隧道洞口最终变形最大处位于拱顶，洞口向前滑移趋势明显，由于现场条件，隧道底部的隆起监测效果不太理想。监测结果显示数值模拟分析的薄弱点位于现场一致，但是具体的数值有较大差异，这说明数值模拟分析对于判于变形破坏的趋垫是正确的有效的手段。由于具体绝对值受施工及各项参数影响较大，主要通过监测反馈加强措施来控制。
        5. 结束语
        本章首先从围岩变形理论入手，总结归纳了软弱围岩变形的主要影响因素、破坏形式和变形特征。分析了隧道洞口浅埋段超前支护及施工工法的主要设计参数，同时对超前支护的作用机理进行了分析。进一步建立三维模型，将隧道图纸设计中的单侧壁导坑法进行了开挖模拟，得出合理的超前支护措施需要配合采用合适的控制变形的工法，能够起到整体效应，单侧壁导坑法的围岩变形控制效果好，安全也具可行性。根据施工监测结果显示，在超前支护措施到位，施工工法合理的情况下，软弱围岩洞口段隧道施工是能安全实施的，施工的关键点位和风险点位也是可以预判的。同时在现场实际施工中对于变形的绝对值要依据监测结果及时修正支护措施以保证施工安全。对于更一步探索其它工法在洞口段的采用，还需要根据具体围岩及边界条件具体情况具体分析。
        参考文献：
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