某浅埋台阶法施工隧道围岩变形特征

・第３７卷第１５期　１４８・　２　０　１　１年５月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨｎＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３７　Ｎｏ．１５　Ｍａｙ．　２０１１　文章编号：１００９—６８２５（２Ｏｌ　１）１５—０１４８－０２　某浅埋台阶法施工隧道围岩变形特征★　池彦宾　张东明　赵摘动态监控，对隧道的变形特征进行了总结，为类似工程的施工提供了指导。　晨　要：针对某台阶法开挖的浅埋隧道，利用有限元软件Ｍｉｄａｓ　ＧＴＳ对隧道变形进行了建模分析，并跟踪施工现场进行　关键词：变形，浅埋隧道，有限元法，监控　中图分类号：Ｕ４５６．１　文献标识码：Ａ　间结合一般，发育陡倾节理。根据开挖揭露情况，洞口浅埋段有　０引言　洞身段裂隙水较少，大部分地段无水。隧道洞身段　新奥法的主要优点在于最大限度发挥围岩原有的自承能力，　裂隙水存在；Ⅳ级围岩，洞口为Ｖ级。隧道采用台阶法开挖，应用光面爆破技　这又取决于开挖方式、支护参数和支护时间是否合理。在隧道的　术；初期支护使用钢拱架、锚杆、钢筋网和混凝土形成柔性支护；　开挖过程中，围岩将表现出一定变形特征，而不同地区，隧道的工　　程地质特点都有所差异，再加上施工方法等因素的影响，围岩的　待围岩变形收敛后进行二次衬砌。变形情况也有所不同　。认清围岩的变形特征对于确定支护参　２有限元建模分析　数和确定二次衬砌时间有重要意义，可以及时反馈指导施工，是　２．１获取相关参数　１）隧道的埋深和地形图，可以通过地勘等高线图资料和隧道　构建经济、可靠隧道的必要保障。　粘　监测的主要目的是监测围岩的变形情况，掌握围岩变化动　设计图纸获取。围岩的物性特征如弹性模量、泊松比、摩擦角、态，对围岩的稳定性做出评价；通过收集可反映施工过程中围岩　聚力等参数通过地勘资料和岩石试验获取，围岩取样时注意试样　并尽可能保持其天然状态，避免扰动破坏。　与支护体系动态变化的信息，对其进行分析处理，验证支护衬砌　应具有代表性，２）隧道的几何尺寸和支护参数应根据设计图纸确定，开挖方　设计效果，提供修改设计和施工方法的依据，确定二次衬砌的施　作时间。　法和施工进尺也应和施工设计图保持一致。　１　工程概况　隧道建设工程设计为城市主干道１级，为双向四车道。隧道　２．２建模　由于本隧道埋深多在８５　ｍ～１１０　ｍ，本文选取埋深９５　ｍ的一　根据等高线图对地表　入口桩号ＺＫ０＋６０５．９，出口桩号ＺＫ２＋４２０，全长１．８１　ｋｍ。隧道　段隧道进行建模分析。为尽可能接近实际，　沿线地面坡角多在５。～２Ｏ。之间，局部为５０。～７０。。隧道洞身段　地形也进行了建模，见图１。最大埋深约１３０　ｍ，洞身主要穿越泥岩。岩体处于弱风化状态，产　２．３结果分析　状平缓，倾角近于水平，岩体紫红色，由粘矿物构成，岩质较软，层　［２］　卢　木．基于耐久性评定的钢筋混凝土结构的剩余寿命预　测［Ｊ］．建筑科学，１９９９，１５（２）：２３－２８．　［３］ＢＥＹＮＯＮＭ　Ｊ．ＡＭｅｔｈｏｄ　ｏｆＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＤＳ／ＡＨＰ　ｆｏｒ　Ｇｒｏｕｐ　Ｄｅ－　ａｌｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｇｒｏｕｐ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　Ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ，　通过运行分析，可以按施工节段和变形方向查看围岩的位移　出版社，２００４：１７－２２．　［６］黄侨，唐海红，任远．基于模糊理论的大跨度桥梁评估　理论研究［Ｊ］．公路交通科技，２０１０，２７（１）：６３－６４．　［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００６：３２－３７．　ｃｉｓｉｏｎ．ｍａｋｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｎｏｎ．ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｉｎｄｉｖｉｄｕ．　［７］　余丹丹．在役拱桥可靠性综合评估及加固方案优选研究　２００５，３２（７）：１８８１．１８９６．　［４］ＹｒＧ　Ｈ１１－２００４，公路桥涵养护规范［Ｓ］．　［８］　王有志，王广洋，任　锋，等．桥梁的可靠性评估与加固　［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００２．　［５］　李志勇．工程模糊数学及应用［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学　Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｆｕｚｚｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ　ＲＥＮ　Ｌｉ－ｘｎａｎ　Ａｂｓｈ＇ａｅｔ：Ｆｏｒ山ｅ　８ａｌｃｅ　ｏｆ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｄｏｕｂ１ｅ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＡＨＰ）．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎ　ｆｕｚｚｙ　ｍａｔｈｅｍａｉｔｃ，ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ　ｆｕｎｃ—　ｉｔｏｎｓ　Ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｉｎ　ｔｗｏ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｄｕｒｂｉａｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｙ　ｂｔｗｏ　ｌｅｖｅｌ　ｆｕｚｚｙ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｅｖａｌｕａ－　ｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ．Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃａｓｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　ｉｔｗｈ　ａｃｔｕａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｄ　ｏｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｐｒｏ—　ｊｃｔｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｙ．ｔ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ，ｄｏｕｂｌｅ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　收稿日期：２０１１－０１－２７　★：国家自然科学基金（项目编号：５０６０４０２１）；重庆市自然科学基金（项目编号：ＣＳＴＣ，２００７ＢＢ３１２５）　作者简介：池彦宾（１９８４一），男，重庆大学资源及环境科学学院硕士研究生，重庆４０００００　张东明（１９７３－），男，博士，副教授，重庆大学资源及环境科学学院，重庆４０ＯＯＯ０　赵晨（１９８８一），男，重庆大学资源及环境科学学院硕士研究生，重庆４０００００　爹　７ｌ　荤　膂　池彦宾等：某浅埋台阶法施工隧道围岩变形特征　・１４９・　云图，也可以通过剖断面查看任何断面的位移情况。由图２～图５　拱顶最大下沉量为７．６５　ｍｍ，开挖下台阶后围岩最大水平位移为　４．４　ｍｍ。　２０．９４９　６２．８４７　０　通过图６，图７可以看出，理论计算和现场监测都能反映围岩　可以看到开挖上台阶后拱顶最大下沉量６．６７　ｍｍ，开挖下台阶后　的变形特性。模型计算是理想化的状态，而实际围岩物性参数有　一定离散性，而且围岩变形还受施工爆破等因素影响，两者不可　能完全一致，但大致规律及数值近似。　旨　矗　０　１０　２０　３Ｏ　４０　５０　６０　距掌子面距离，埘　图１隧道的建模图　８．４９５　２５．４８５　Ｏ　图６拱顶下沉实测值与模型求解值对比　ｏ．００４　ｉ　ｏ．００３　５　嘲　０００３　．萎０．００２　５　０．００２　茎０．ｏｏ１　５　自∈　Ｏ．００１　ｏ．ｏｏ０　５　Ｕ　１Ｕ　２Ｕ　３０　４０　５０　６０　距掌子面距离／ｍ　图７围岩水平收敛实测值与模型求解值对比　４Ｏ　结语　经过对隧道的建模分析和现场动态监测，很全面的了解了围　岩的变形规律。建模分析和现场监控各有优劣，前者更能从整体　和理论上把握围岩变形，后者更能反映围岩物理性质不均匀性、　节理裂隙及爆破扰动的影响。将两者结合起来，可以更全面的了　解围岩变形特征。１）围岩在隧道刚开挖后变形速率较大，然后逐　渐减小，隧道开挖后应及早布置测点测量，否则，测量变形值数据　偏小。２）对于浅埋隧道，建模时应将地形面反映到模型之中，这　样求解结果与实际更接近。３）在下台阶开挖后，围岩变形略有增　大。拱顶下沉增加量不大，水平收敛变化稍多些，主要是因为隧　图４随着台阶法开挖沿隧道　走向剖断面的竖向位移等值云图　图５上台阶开挖　后的水平位移等值线圈　道顶部竖向应力在开挖上台阶时已经基本释放。４）围岩的节理、　裂隙是影响围岩变形的重大因素，而其在建模时较难模拟，这也　是今后研究的重要课题。　３围岩收敛实测　根据围岩的稳定情况和隧道埋深确定监测断面的纵向问距，　参考文献：　本隧道洞口段１０　ｍ左右，洞身段３０　ｍ左右。监测断面５个测点　［１］　韩瑞庚．地下工程新奥法［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８７．　位于同一竖直面内。在开挖上台阶时，先布置１号～３号测点，测　［２］　杨会军，王梦恕．隧道围岩变形影响因素分析［Ｊ］．铁道学　点２和３在起拱线附近的同一水平线上，１号测桩位于拱顶；开挖　报，２００６，２８（３）：９３－９６．　下台阶时在施工地面上１．５　ｍ左右增设测点４和５，测点４和　［３］　李晓红．隧道新奥法及其量测技术［Ｍ］．北京：科学出版社，加吆．　５位于同一水平线上。根据隧道设计规范的要求对围岩变形进行　［４］　蔡美峰．岩石力学与工程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．　了监测。为方便综合分析，本文将隧道埋深９５　ｍ处某断面的拱顶　［５］　田英杰．隧道浅埋段软弱围岩加强超前小导管施工技术　下沉和水平收敛曲线与模型计算理论曲线一并列出，见图６，图７。　［Ｊ］．山西建筑，２０１０，３６（２）：３２９—３３０．　Ｓｈａｌｌｏｗ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｂｅｎｃｈ　ｃｕｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＣＨＩ　Ｙａｈ－ｂｉｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ－ｕｉｎｇ　ＺＨＡＯ　Ｃｈｅｎ　ｒＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｔｕｎｎｅｌ　ｗｉｔｈ　ｂｅｎｃｈ　ｃｕｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｍｉｄａｓ　ＧＴＳ，ｉｔ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　Ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｂｙ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｓｕｌｎｍａｌ＇Ｊｚｅｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｓｈａｌｌｏｗ　ｔｕｎｎｅｌ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ