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user: 3. 风化花岗岩地层隧道变形特征 3.1. 现场监测数据分析 分别从地表沉降、拱顶下沉和洞周收敛对渔寮隧道出口段围岩变形特征进行分析。 3.1.1. 拱顶下沉、洞周收敛 图2是出口段左、右隧洞的拱顶下沉和洞周收敛的空间分布特征，图中虚线表示出口段IV、V级围岩分界线。 由图2可见，出口段的拱顶下沉、洞周收敛变形稳定在4.0 mm~11.0 mm，变形量较小。每日最大变形速率稳定在1 mm/d以下，变形增长缓慢。就单个监测断面来说，未出现变形突变，变形发展较稳定。从围岩级别来看，V级围岩区段的隧洞变形量比IV级围岩区段的隧洞要大，拱顶下沉量也比洞周收敛值大，这是侧向地应力小于垂直地应力的结果。空间分布方面，不同里程的围岩变形差异较小，V级围岩区段的变形略大于IV级区段。 图2. 出口段拱顶下沉、洞周收敛变形情况 总的来说，出口段隧道的拱顶下沉和洞周收敛的变形值在规范允许范围之内。但受节理裂隙影响，部分区段岩体沿裂隙面变形过大，甚至脱落掉块，故不能仅凭变形数据贸然对风化花岗岩隧道的围岩稳定性做出判断。施工过程中应重点加强拱顶处松散岩体的排查，严格遵循短进尺，弱岩爆的施工原则。 3.1.2. 拱顶下沉、洞周收敛 对ZK368 + 230、ZK368 + 240、YK368 + 221和YK368 + 231的地表沉降数据进行分析并绘制图3。 图3. 出口段不同里程地表沉降值 图中虚线是代表隧洞中线。由图3可知，右洞地表形成了明显的沉降槽，靠近隧洞中心位置的地表沉降量更大，而远离隧洞中心的地表沉降量随距离的增大而减小，这符合Peck [ 7 ] 提出的地面沉降槽近似呈正态分布的观点。Peck认为二维平面内，隧洞开挖引起的地表沉降满足下式(1)： S ( y ) = S max exp [ − y 2 2 i 2 ] (1) 式中， S max 是隧洞中线正上方地表的沉降值，即隧洞正上方地表的沉降值最大；y是隧洞中线至计算点的水平距离；i是从隧道中线到沉降曲线的拐点的水平距离，称为沉降槽宽度； S ( y ) 是计算点处的沉降值。 基于Peck的观点，利用Origin分析软件中的Peak Functions功能中的GussAmp模型： y = y 0 + A exp [ − 0.5 ∗ ( x − x c ) 2 w 2 ] (2) 对YK368 + 221和YK368 + 231两个断面的实测值进行拟合，拟合结果见下图4： 图4. YK328 + 221、YK328 + 231地表沉降值 YK368 + 231、YK368 + 221：的回归模型依次为： y = − 7.17 − 5.59 ∗ exp [ − 0.5 ∗ ( x − 0.0367 3.57 ) 2 ] (3) y = − 7.79 − 6.97 * exp [ − 0.5 * ( x + 0.189 3.97 ) 2 ] (4) 式中：x为地表计算点到隧道中线的水平距离，y为计算点处的沉降值，对应的拟合优度值R-square分别为0.912、0.961，拟合程度很好。利用此模型可以推测出不同水平位置处的地表沉降。 左洞处于浅埋地段，隧洞开挖虽未形成明显的沉降槽，但是在靠近隧洞中心处也有明显的沉降变形量增大的现象。从隧洞中线上方的地表沉降量值来看，YK368 + 231与YK368 + 211两个断面的沉降量平均值为ZK368 + 240和ZK368 + 230的2倍左右。 3.2. 数值模拟分析 为了更深入地研究风化花岗岩地层中的渔寮隧道的变形特点，应用FLAC3D数值模拟程序建立隧道三维模型，对渔寮隧道出口段进行施工过程数值模拟。 3.2.1. 计算模型的建立 基于设计资料，选取渔寮隧道出口段进行计算模拟。为减小模型边界效应，计算模型横向为隧道净宽15.44 m的4~5倍，竖向为隧道高度9.95 m的2~3倍，隧道埋深48 m，模型近似取为50 m。模型横向157.4 m，竖向98.8 m，沿隧道纵向50.0 m。根据设计要求，出口段V级围岩地段采用超前管棚支护，长管棚采用外径108 mm，壁厚6 mm的热轧无缝钢管，钢管环向间距40 cm，外插脚2˚。采用双侧壁导坑法开挖，见图5。 图5. 隧道尺寸(单位：m)及隧道模型 3.2.2. 计算参数确定 隧道围岩采用Mohr-Coulomb模型。采用beam结构单元模拟长管棚中的钢管，对注浆加固的管棚区域采用shell单元模拟，喷射混凝土也采用shell单元模拟，锚杆采用cable结构单元模拟，按照设计中的100 cm × 50 cm呈梅花型布置。开挖岩体则通过赋予本构模型为null进行模拟。相关的材料参数如下表2所示。 Table 2 The basic information about Yuliao tunne 材料类型 弹性模量(GPa) 密度 (kg/m) 泊松比 内摩擦角 (˚) 粘聚力 (MPa) 厚度 (mm) 水泥浆剪切刚度 (GPa) 水泥浆粘聚力 (MPa) 围岩 1.2 1436.0 0.3 30.2 0.03 - - - 喷射混凝土 21.0 2370.0 0.2 - - 280.0 - - 锚杆 200.0 7800.0 - - - 15.0 0.8 管棚 32.2 2360.0 0.2 - - 1000.0 - - 表2. 渔寮隧道设计概况 在模型中，采用等效弹模 [ 8 ] 的方法处理管棚中的钢管内的水泥浆的作用，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，按照下式(5)进行弹性模量的折算： E = ( E 0 S 0 + E S G G + E C S C ) / S (5) 式中： E 0 、 E G 和 E C 分别对应钢管、水泥浆以及外层混凝土的弹性模量； S 0 、 S G 和 S C 分别代表钢管、水泥浆和外层混凝土的有效横截面面积。利用上式(5)得到管棚折算弹性模量为32.2 GPa。简化起见，管棚的密度以及泊松比视作与外层C30混凝土护拱一致。 3.2.3. 计算结果分析 模拟计算过程中，分别对隧洞拱顶、左、右拱腰、隧洞底板、左、右拱肩、二衬拱顶、二衬左、右拱腰、二衬左、右拱肩、二衬底板以及管棚顶点等位置设置了监测点。 图6是计算得到的隧道围岩变形云图，可见，隧洞开挖引起的变形主要集中在拱顶、拱腰以及仰拱位置处。其中仰拱最大变形达到约8.0 mm，拱顶下沉最大达到6.9 mm，拱腰位置处最大的横向变形达到2.8 mm，模拟结果与实测数据基本吻合。 图6. 隧道围岩变形云图(单位：m) 数值模拟得到变形结果表明，渔寮隧道出口段的采用的超前管棚支护体系以及双侧壁导坑开挖工法有效抑制了隧道围岩变形，将隧道围岩变形控制在较小的范围内。下图7显示的是隧洞开挖引起的塑性区分布情况，蓝色表示的是未出现塑性破坏，绿色表示的是出现塑性剪切破坏。由图7可知，隧道开挖引起的塑性破坏主要集中分布在拱脚以及拱肩位置处。另外由于管棚与围岩间弹性模量差距较大，导致管棚与围岩间存在剪切破坏区域。建议施工中对拱肩、仰拱和拱脚处进行支护结构加固、打设超前注浆锚杆等措施，并注意掌子面排水，防止因地下水软化围岩扩大围岩塑性区面积。 图7. 隧道围岩塑性区(单位：m) 模拟过程中监测每步施工工况下的拱顶变形以及拱腰位置处收敛变形，绘制变形随计算步数变化的曲线，见图8。图中标识出了变形发生突变的工况，可以发现：临时侧壁导坑支护对于拱顶下沉以及拱腰收敛都有很好地限制作用，一旦拆除之后，拱顶和洞周就会发生较明显的变形，变形绝对值增加分别达到约2.0 mm以及1.0 mm。由于主洞拱部的岩体的开挖，围岩应力得到释放，隧洞拱部围岩失去支撑，从而也产生了较大的变形，计算结果显示，由于主洞拱部土体开挖，产生了约2.0 mm的拱顶下沉突变。 图8. 隧道变形——计算步数曲线