Deformation Control Technology of Soft Surrounding Rock in Shallow Buried Section of Surrounding Expanded Tunnel
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摘要: 依托隧道原位扩建工程，应用有限元模拟了四周扩挖型原位扩建隧道的动态施工过程，得出隧道软弱围岩的位移变形规律、应力分布情况及支护结构的力学特征，并将计算结果与现场监测数据对比，二者结果基本一致。研究得到以下结论：（1）采取分步开挖并及时施做临时支撑对控制软弱围岩变形效果显著；（2）拆除既有衬砌对隧道围岩扰动较大，在隧道拱肩与两侧拱脚处会出现一定范围的塑性变形，应加强拱肩处的管棚与拱脚处的锁脚锚杆设计参数，以提高围岩稳定性，从而保证施工质量；（3）初期支护的左右两侧拱肩与拱脚处、初期支护与竖向临时支撑连接处均为相对薄弱位置，在施工拱肩与拱脚时应多加关注围岩与支护结构的变形与位移情况。该成果可为类似工程的设计与施工提供参考。Abstract: Based on the in-situ extension project of a tunnel, the dynamic construction process of the surrounding extended-excavation was simulated through finite element method. The displacement and deformation, the stress distribution of the tunnel’s weak surrounding rock, and the mechanics and of the supporting structure are obtained. The calculation results are compared with the field monitoring data, and the two results are basically consistent. The following conclusions are obtained: (1) The use of step-by-step excavation and timely temporary support has a significant effect on controlling the deformation of weak surrounding rock. (2) The demolition of the existing lining has a great disturbance to the surrounding rock of the tunnel. There will be a certain range of plastic deformation at the side arch foot, and the design parameters of the pipe shed at the arch spandrels and the lock foot anchor rod at the arch foot should be strengthened to ensure the construction quality and improve the stability of the surrounding rock. (3) The spandrels and arch foot on the left and right sides of the primary support, and the connection between the initial support and the vertical temporary support are relatively weak positions. During the construction of the arch spandrels and the arch foot, more attention should be paid to the deformation and displacement of the surrounding rock and the support structure. It is hoped that the research results can provide reference for the design and construction of similar projects.
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表 1 支护参数选取表
项目 支护参数 超前预支护 洞口40 m范围内，在开挖轮廓线外围施做ϕ108超前大管棚，环向间距40 cm，布设范围拱部155°，外插角1°～3°，长40 m；单排ϕ50超前小导管，环向间距40 cm，布设范围拱部155°，外插角16°，长3.5 m，搭接长度1.87 m；浅埋段，采用单排ϕ50超前小导管，环向间距40 cm，拱部155°，外插角不大于13°，长4.0 m，搭接长度2.1 m 临时支护 C25喷射混凝土厚28 cm，横撑和竖撑采用I25a钢拱架，纵向间距50 cm（浅埋段为60 cm），ϕ8钢筋网@20 cm，ϕ50锁脚锚管长4.5 m，临时支护设置4组，每组2根 初期支护 C25喷射混凝土厚31 cm，全环采用I25a钢拱架，纵向间距50 cm（浅埋段为60 cm），ϕ8钢筋网@20 cm，ϕ25径向中空注浆锚杆长5.0 m，环向间距1.0 m，ϕ50锁脚锚管长4.5 m，初期支护设置2组，每组2根；预留变形量18 cm 二次衬砌 C40筑模钢筋混凝土厚70 cm，钢筋直径28 mm，间距15 cm 
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表 2 模型计算参数选取表
类型 弹性模量
/MPa泊松比 重度γ
/（kN·m−3）内摩擦角
/(º)黏聚力
/kPaV级围岩 120 0.35 19 22 120 初期支护 26000 0.2 70 C40钢
筋砼36000 0.2 23 管棚
加固区450 0.25 21 25 450 锚杆 210000 0.3 77 原衬砌 32000 0.2 23 临时支护 210000 0.3 77
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表 3 初期支护与临时支撑轴向应力
MPa 部位 轴向应力 安全性 拱顶 −0.97 安全 左拱肩 0.23 安全 右拱肩 0.54 安全 左拱脚 −2.3 安全 右拱脚 −3.1 安全 仰拱 −0.99 安全 临时支撑 −8.7 安全
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表 4 支护结构不同利阶段轴向应力
MPa 步骤 初期支护 临时支撑 二衬 最不利位置 σm 最不利位置 σm 最不利位置 σm 1 右拱腰 −0.7 中部 −7.8 2 右拱脚 −1.2 中部 −8.7 3 右拱脚 −2.4 4 右拱脚 −2.8 左拱腰 −1.8 注：1. 开挖上台阶；2. 开挖下台阶；3. 拆除临时支撑；4. 施作二衬；σm为最大轴应力。
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图(18) / 表(4)
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