隧道施工中現(xiàn)場監(jiān)測與分析作用的探討

賀鵬飛

［湖南省隧道工程總公司（湖南省地礦局四一四隊(duì)），湖南益陽 413000］

0 引言

淺埋偏壓隧道在設(shè)計(jì)與施工時必須采取相應(yīng)的方法進(jìn)行防偏壓處理。在該隧道設(shè)計(jì)時對施工方法只是簡單地提及而沒有進(jìn)行對比研究，這樣無形中會加大施工成本，造成施工中不安全因素的增加。本文以某公路隧道為例，對施工過程中的監(jiān)測資料進(jìn)行分析，提出了適合該隧道的施工方法；同時，采用數(shù)值分析的手段，對該隧道可能采用的施工方法進(jìn)行了計(jì)算分析，從受力的角度提出了最佳的施工方案，為以后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了依據(jù)。

該隧道的設(shè)計(jì)施工方法為“CD”施工方法。考慮到施工工期及經(jīng)濟(jì)因素，擬對進(jìn)口段采用正臺階施工方法進(jìn)行試開挖并進(jìn)行施工量測。通過對量測數(shù)據(jù)、施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)條件等因素的綜合分析提出最終適合于該隧道的施工方法。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場條件及一般隧道的監(jiān)測內(nèi)容，該隧道的主要監(jiān)測項(xiàng)目為：周邊位移量測、拱頂下沉量測、地表下沉量測、鋼支撐內(nèi)力量測和錨桿軸力量測。各元件的具體布置見圖1所示。

1.1 地表下沉

圖2為地表下沉的監(jiān)測結(jié)果。從圖2中可以看出，當(dāng)圍巖開挖歷經(jīng)20 d之后，其地表下沉基本上就處于穩(wěn)定狀態(tài)，而此時掌子面已經(jīng)推進(jìn)了將近100 m左右。上述情況表明：該斷面的地表沉降經(jīng)過20 d以后基本完成，可以進(jìn)行下一步的工作。

1.2 收斂變形

圖3為量測斷面上臺階開挖30～97 m的收斂變形曲線，量測時間共45 d。在上臺階開挖過程中，收斂量在3 mm以內(nèi)，說明在上臺階開挖過30 m時，圍巖的大部分應(yīng)力已經(jīng)釋放，圍巖的位移大部分已發(fā)生。水平測線AC數(shù)值最大，表明隧道側(cè)壓力比豎直壓力大，其中的主要原因可能是隧道左側(cè)成拱效應(yīng)比右側(cè)成拱效應(yīng)差，因此隧道左側(cè)受到更大的圍巖壓力。

1.3 拱頂位移

圖4為上臺階開挖后典型斷面拱頂實(shí)測位移曲線，該斷面圍巖主要為炭質(zhì)板巖，屬于Ⅲ類圍巖，圍巖較破碎。

通過對測量線進(jìn)行擬合可知:

（1）最終位移 u∞=38.83 mm，該值較大，這主要是由于該斷面所處圍巖比較破碎，且節(jié)理裂隙較發(fā)育。但在第6 d時，位移即為33.43 mm，已達(dá)到最終位移的81%，這說明圍巖很快趨于穩(wěn)定。

（2）當(dāng) t=16 d時，位移速率為0.1 mm/d，以后隨著時間t的增長，位移速率將越來越小。

1.4 鋼支撐內(nèi)力

所選取的典型斷面，其主要圍巖類型為泥巖，屬于Ⅲ類圍巖。量測結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，內(nèi)力變化曲線在時間上可分為4個階段：其中上臺階開挖后數(shù)據(jù)曲線形成了急劇增大→緩慢增大→趨于平緩，這Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段；下臺階開挖后形成了第Ⅳ階段。下臺階開挖后，鋼支撐左右兩側(cè)的內(nèi)力變化并不一致，說明鋼支撐所受的左、右兩側(cè)的壓力并不相等。

由于各部位內(nèi)力變化在上臺階開挖后基本一致，因此可以對其中某個部位的內(nèi)力變化進(jìn)行分析，從而得到一般的規(guī)律。現(xiàn)選取鋼支撐內(nèi)層的左側(cè)部位，經(jīng)分析其內(nèi)力最終值為2.393 kN；在L=50 m時，為1.56 kN，占其最終值的65%；在L=100 m時，為1.93 kN，占其最終值的81%，可見內(nèi)力的大部分在上臺階開挖后50 m內(nèi)產(chǎn)生。

1.5 錨桿內(nèi)力量測結(jié)果

錨桿內(nèi)力量測結(jié)果見圖6所示。從圖6可以看出，圍巖變形超過20 d之后，其變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在最初的一周之內(nèi)，其變形發(fā)展是最為顯著的時期，過此之后，其變形將逐漸趨于穩(wěn)定。因此，圍巖開挖之后的初始階段是值得注意的時期。

1.6 施工方法調(diào)整

鑒于實(shí)測的位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快，因此將原設(shè)計(jì)中采用的“CD”法開挖并輔助超前錨桿支護(hù)的施工方法變更為采用臺階法開挖的施工方法即可滿足要求。

2 數(shù)值模型的建立與計(jì)算參數(shù)的選取

為了更好地了解在不同施工方法下偏壓隧道的受力變形規(guī)律，以便從隧道受力變形的角度尋找出這種隧道的最佳施工方法，在本文中采用數(shù)值分析的手段，對該具體工程進(jìn)行建模分析。

數(shù)值模型的建立：根據(jù)不同的施工方法建立的數(shù)值模型如圖7所示。為節(jié)省篇幅，在本文中只列出CD法開挖的網(wǎng)格剖分圖。

計(jì)算參數(shù)的選取:綜合《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2005）等資料對各類圍巖物理力學(xué)參數(shù)的取值情況，取各類圍巖中值作為巖體的計(jì)算參數(shù)。對錨桿與型鋼拱架材料參數(shù)則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取舍。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

表1、表2分別為采用數(shù)值模擬得出的幾種不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移、隧道周邊最大圍巖應(yīng)力。而錨桿軸力和鋼支撐內(nèi)力由于受篇幅限制，在此不再一一在表中列出。

表1 不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移統(tǒng)計(jì)表(單位：cm)

表2 不同施工方法下隧道周邊最大圍巖應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同施工方法下偏壓隧道的受力存在一些共同點(diǎn)：（1）拱頂部分的錨桿與鋼支撐在不同的施工階段受力都很小。（2）完工后受偏壓較大的右墻所承受的圍巖應(yīng)力最大，而且拱腳與墻角往往都是應(yīng)力集中的地方。（3）錨桿與鋼支撐的受力在施工中間階段往往是右側(cè)受力稍大，而完工后則左側(cè)稍大。

但也存在一些不同點(diǎn)：（1）在位移方面，CD法無論是拱頂位移、地表位移，還是側(cè)墻位移都小于全斷面法與臺階法；臺階法在中間施工時的各項(xiàng)位移都小于全斷面法，完工后除左墻位移外，其余也比全斷面法施工的位移小。（2）錨桿所受軸力、鋼拱架所受軸力和彎矩以全斷面法施工最大，臺階法次之，CD法最小。

根據(jù)以上分析可知，在偏壓隧道中，要優(yōu)先采用CD法進(jìn)行施工，如施工斷面較小，偏壓不大時，也可采用正臺階法施工，一般情況下不要采用全斷面法施工。此外，筆者在采用CD法施工模擬時計(jì)算了兩種開挖方法，一種是先右后左；一種是先左后右，結(jié)果表明，前者無論從受力變形大小、收斂時間長短均優(yōu)于后者。因此，可以推斷：在采用CD法進(jìn)行施工時應(yīng)從偏壓較大的一側(cè)開始施工。

4 結(jié)語

通過采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析的方法對偏壓隧道的施工方法進(jìn)行對比研究，取得了如下成果：

（1）通過用數(shù)值模擬方法對全斷面、正臺階和CD法施工動態(tài)計(jì)算表明，在偏壓較大的情況下要優(yōu)先采用CD法進(jìn)行施工，且施工時先施工偏壓較大的一側(cè)。其次選擇臺階法，對全斷面法則要謹(jǐn)慎。

（2）通過對該隧道的量測可知,實(shí)測的位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快，因此可將原設(shè)計(jì)中采用的“CD”法開挖的施工方法變更為采用臺階法開挖的施工方法。

[1]陳秋南,張永興,等.連拱隧道的設(shè)計(jì)理論與動態(tài)施工力學(xué)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,(1):156-160.

[2]劉庭金,朱合華,等.偏壓連拱隧道病害分析及治理措施[J].中國公路學(xué)報(bào),2005,(18):72-77.

[3]劉濤,沈明榮,等.連拱隧道動態(tài)施工模型試驗(yàn)與三維數(shù)值仿真模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006,（25）：1802-1808.

[4]王松權(quán),陳逸群,等.大跨度軟弱圍巖公路隧道施工過程仿真[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2006,(27):52-56.

[5]張顯書,劉新喜,等.襄武段聯(lián)拱隧道動態(tài)施工力學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,(19):32-35.