曹源隧道施工動態監測與有限元模擬分析

■　張燕清（三明市交通建設投資有限公司，三明　365000）

?

曹源隧道施工動態監測與有限元模擬分析

■張燕清
（三明市交通建設投資有限公司，三明365000）

摘要針對公路隧道施工過程中圍巖應力應變的復雜變化過程，本文基于三維有限元分析法和隧道施工動態監測，研究了泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道洞身開挖過程中圍巖應力、位移變化規律，研究結果可為隧道動態化設計、施工等提供參考。

關鍵詞隧道施工效應監控量測位移有限元分析

1　概述

在隧道施工過程中，施工對隧道周邊圍巖產生一個動態的擾動，打破了巖體內原巖應力場的平衡狀態，導致隧道圍巖發生卸荷回彈和應力重分布。且由施工而引起的圍巖應力狀態變化改變了隧道圍巖的力學性能，導致巖體強度降低，并最終影響隧道圍巖的變形量及其破壞模式。

新奧法基本觀點就是根據巖體力學理論，著眼于洞室開挖后形成塑性區的二次應力重分布，而不拘泥于傳統的荷載觀念。通過施工過程對圍巖和支護的動態觀察、變形量測、應力監測、彈性波測試等，合理安排施工順序，調整支護參數，進行設計變更以及日常的施工管理。此外，通過計算機數值模擬和一定的巖土本構關系模型，還可反演推算推求圍巖中的應力場和位移場，據此推斷圍巖的穩定狀態，調整支護或襯砌設計參數，使得支護與襯砌設計參數與圍巖條件相協調，施工方案不斷得到優化。

泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道出口段圍巖巖性為黃褐色殘積粘性土，濕潤可塑，系二迭系棲霞組硅質巖，強烈風化所致，風化巖厚度大，巖性松軟，不穩定，地下水較為發育。本文依據曹源隧道地質條件，針對我省公路隧道結構形式下洞身開挖進行有限元分析，并結合監控量測結果，探討隧道施工過程中圍巖內特征點的應力、位移變化規律。

2　計算模型及基本原理

2.1計算模型及參數

本文基于三維有限元分析方法，為方便計算，圍巖當作連續介質考慮，巖性均一，各向同性體。計算中不考慮構造應力場的影響，荷載只考慮自重。除上部邊界面自由外，其它邊界面均具有法向約束。計算中圍巖采用四面體實體單元，襯砌采用板單元，錨桿采用桿單元。如圖1所示。

分析中所采用的模型及介質參數詳見表1，圍巖等級按Ⅳ級、Ⅴ級考慮，隧道橫截面為三心圓加仰拱的形式，隧道寬11.7m，高8.0m，高寬比為0.69。為簡化計算，分析中不考慮二襯的作用，主要考慮開挖和初襯的影響，初襯采用噴射混凝土加錨桿方式支護。襯砌厚度為0.2m，錨桿長度為3.5m。

圖1　圍巖網格劃分示意圖

表1　各介質力學參數

2.2基本原理

巖體的彈塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服準則，襯砌和錨桿采用線彈性本構關系。隧道開挖施工過程主要包括巖體分步開挖及支護結構的分步設置等。

對各施工階段的狀態，有限元分析的表達式為：

式中，L——施工步數；

［K］0——開挖前巖體等的初始剛度矩陣；

［K］i（i≥1）——第i施工步巖體和支護結構總剛度矩陣；

｛ΔFr｝i——第i施工步開挖邊界上的釋放荷載的等效結點力，初次開挖由巖體的自重、地下水荷載、地面超載等確定，其后各開挖步由當前應力狀態決定；

｛ΔFg｝i——第i施工步新增自重等的等效結點力；

｛ΔFp｝i——第i施工步增量荷載的等效結點力；

｛Δδ｝i——第i施工步的結點位移增量。

對每個施工步，增量加載過程的有限元分析的表達式為：

式中，M——各施工步增量加載的次數；

［K］ij——第i施工步中施加第j增量步時的剛度矩陣；

｛Δδ｝ij——第i施工步中施加第j增量步的結點位移增量；

｛ΔFg｝ij——第i施工步中施加第j增量步新增自重等的等效結點力；

｛ΔFp｝ij——第i施工步中施加第j增量步增量荷載的等效結點力。

3　計算結果分析

3.1施工對隧道圍巖應力影響

選取隧道拱頂A、拱腰B、拱底C共3個特征點，如圖2，分析施工全過程中應力變化特征，結果參見圖3，其中圖（a）為x、y、z方向正應力變化曲線，圖（b）為三個主應力變化曲線。圖中坐標軸橫軸表示計算點距掌子面的距離，負值表示掌子面還未到分析點所處的斷面。以壓應力計正，拉應力計負。

（1）拱頂A點，如圖3所示。

圖2　隧道截面幾何尺寸示意圖

圖3　施工過程中拱頂A點應力變化曲線

隨著掌子面的推進，x方向正應力σxx逐漸增加，掌子面達到測點位置時測點σxx減小，其后又增加，其值始終大于初始值。y方向測點正應力σyy開始逐漸減小，在掌子面距離測點位置4m處開始增大；在掌子面處于測點前方2m處達到最大值，并在下一個施工步驟減；隨著掌子面與測點距離的加大，施工對測點σyy的影響逐漸減小，甚至在一定距離后，σyy出現增加趨勢；當掌子面在測點前方時，測點的σyy值要大于初始值。z方向測點正應力σzz逐漸增加，當掌子面推進至測點位置時，σzz出現最大值，并在下一個施工步急劇減小；當掌子面至測點前方4m位置處，σzz開始逐漸增加，但其值小于初始值。至開挖結束，豎向應力小于水平向應力，且以σxx為最大，主應力軸發生明顯偏轉。

對于主應力，隨著掌子面的推進，測點最大主應力σ1一直增大，在掌子面處于測點前方2m位置處，σ1達到最大值；在下一個施工步出現驟減，其后緩慢增加；當掌子面處在測點前方時，測點的σ1值略大于初始值。σ2隨掌子面的推進而增大，在掌子面達到測點位置時，測點σ2達到最大值；其后逐漸減小，在掌子面處于測點前方一定位置處，測點σ2出現增大趨勢；其值始終大于初始值。測點σ3隨掌子面的推進而減小，并在距離測點4m位置處達到極小值；而后增大，并在掌子面達到測點位置時σ3出現最大值；但在下一個施工步其值驟減，并達到負值，出現拉應力；在其后施工中，測點σ3又增大，呈現震蕩特征；隨著掌子面與測點距離的增大，σ3趨向穩定，但其值始終小于初始值。

（2）拱腰B點，如圖4所示。

圖4　施工過程中拱腰B點應力變化曲線

測點方向正應力σxx在第一個施工步出現減小；隨著掌子面的推進，σxx逐漸緩慢增加，在掌子面附近出現較大增幅，并當掌子面處在測點位置時，達到最大值；在下一個施工步出現大幅度減小，而后逐漸增大；當掌子面在測點前方時，測點σxx值略小于初始值。隨著掌子面的推進，測點y方向正應力σyy略有減小，在掌子面距離測點4m位置處開始增大；并當掌子面達到測點位置時，達到最大值；在下一個施工步出現減小，其后逐漸增大；掌子面處于測點前方，測點σyy值大于初始值。隨著掌子面的推進，測點z方向正應力σzz一直在增大，并在掌子面達到測點的前一個施工步，σzz出現較大增幅，其值始終大于初始值。至施工結束，σyy大于σxx。

測點主應力σ1的變化趨勢與σzz一致。σ2的變化趨勢與σxx一致。σ3的變化趨勢與σyy一致。施工前σ2與σ3值相等，施工結束二者差值較大。

（3）拱底C點，如圖5所示。

圖5　施工過程中拱底C點應力變化曲線

隨著掌子面的推進，σxx逐漸增大，當掌子面達到測點位置時，其值達到最大，而后減小，并趨于穩定，但在掌子面到達到測點之后的下一個施工步，測點σxx值降幅明顯。測點σyy隨掌子面推進逐漸減小；在距離測點2m處增大，并在掌子面處于測點前方2m處達到最大值；其后減小，并隨掌子面與測點距離增大而逐漸趨于穩定。測點σzz先隨掌子面推進逐漸增大，在掌子面達到測點位置時出現最大值；在其后一個施工步出現驟減，而后逐漸達到穩定。施工結束測點σxx仍與σyy值接近，但其值大于σzz，說明施工過程中，測點最大主應力軸發生了明顯偏轉。

測點σ1變化趨勢與σzz近似，但其最大值出現在掌子面處于測點前方2m位置。測點σ2變化趨勢與σxx一致。測點σ3值隨掌子面推進先逐漸減小，掌子面距離測點2m位置處出現增大；當掌子面開挖至測點位置時，測點值出現最大值；在下一個施工步出現驟減，其值小于0，出現拉應力；但是在下一個施工步又出現較大增幅，呈現震蕩特征；隨著掌子面與測點距離增大，測點σ3值逐漸趨于穩定。開挖結束，主應力σ1與σ2接近。

3.2施工對隧道圍巖位移影響

x方向位移以向洞內方向變化計正，以向圍巖方向變化計負。y方向位移以沿掘進方向變化計正，逆掘進方向變化計負。z方向位移向上隆起計正，向下沉降計負。

（1）拱頂A點，如圖6所示。

由于模型沿隧道軸線方向對稱，所以測點沿x方向位移為0。對于測點沿y方向的位移，隨著掌子面的推進，測點產生逆掘進方向的位移，當掌子面達到測點位置時，位移達到最大值；隨著施工繼續，逆掘進方向位移逐漸減小，并產生順掘進方向的位移。對于測點沿z方向的變形，測點隨掌子面的推進而不斷沉降。掌子面處在測點附近時，施工引起測點位置圍巖發生較大幅度變形，隨著掌子面的持續推進，變形緩慢增加。三個方向的變形以z方向變形量最大，相應的監控量測應以豎向為主。

圖6　施工過程中拱頂A點位移變化曲線

（2）拱腰B點，如圖7所示。

推著掌子面的推進，測點產生沿洞內方向的位移；當掌子面開挖至測點處，位移增幅顯著，且達到最大值；隨著掌子面繼續推進，朝向洞內的位移值變小。對于y方向的位移，測點先產生逆掘進方向的位移，當掌子面到達測點處，測點沿y方向位移達到最大值，而后逐漸減小；掌子面處于測點前方10m處，測點逆掘進方向位移開始緩慢增加。對于豎向位移，開始階段測點處產生隆起變形，且在掌子面處于測點處時，隆起變形最大；而后變形量減小，當掌子面處于測點前方10m位置時，測點處開始產生沉降，且沉降量隨施工的進行而增加。三個方向變形中，以測點沿x方向變形量最大，相應變形監控量測應以水平向周邊收斂為主。

圖7　施工過程中拱腰B點位移變化曲線

在進行監測數據分析時，應注意變形特點，對于拱腰水平收斂變形，在掌子面距離測點一定距離處，測點圍巖發生朝圍巖方向變形屬于正常現象。

（3）仰拱C點，如圖8所示。

由于模型沿隧道軸線方向對稱，所以測點沿x方向位移為0。對于y方向的位移，隨著掌子面的推進，測點產生逆掘進方向的位移，在掌子面達到測點位置時，測點y方向位移最大；而后變形量減小，趨近于零。

對于測點沿z方向的變形，測點位置巖體隨掌子面的推進而不斷隆起。掌子面處在測點附近時，施工引起測點位置圍巖發生較大隆起，后續施工對變形影響量較小。測點變形以豎向隆起最顯著，仰拱變形監控量測應以豎向為主。

由于受條件限制，洞內監測只能在掘進至待監測斷面并進行監控布點后才能觀測到圍巖變形。事實上圍巖在隧道一開始開挖即受到擾動而產生變形，所以洞內監測到的數據反映不出該點測點位置前期開挖產生的變形。洞外監測項目，如地表沉降觀測，應充分考慮到這一變形特點，在隧道掌子面前方埋設好測點，并獲取相關數據，充分了解隧道施工對圍巖的擾動。

圖8　施工過程中仰拱C點位移變化曲線

4　實測結果分析

4.1曹源隧道監測結果

泉三高速公路曹源隧道出口段圍巖巖性為黃褐色殘積粘性土，濕潤可塑，系二迭系棲霞組硅質巖，強烈風化所致，風化巖厚度大，巖性松軟，不穩定，地下水較為發育。施工過程采用錨桿、鋼筋網、鋼拱架聯合支護，及時施作仰拱，掌子面附近除保留核心土外，中部還添加鋼支撐。

通過在拱頂、左右拱腰布設監控量測點，曹源隧道的施工監控量測中多次預測到險情，獲得幾次臨界破壞經驗值。

（1）曹源隧道左洞出口

2007年4月12日、13日ZK244+715左側地表沉降突然增大，地表出現明顯裂縫，監測組當日通過電話及時通知，并形成反饋單及時反饋給各有關單位，同時建議：立即停止施工，緊急加固。施工單位即刻停止施工，采取木頭、鋼支撐等措施緊急加密加固，14日晚一場中雨，15日凌晨洞內掌子面土樣呈流塑狀態出現，并發展成泥流，于當日11時左右在ZK244+709附近冒頂3m2左右。由于洞內泥濘不堪，快挖快支護，施工工藝復雜，洞內無法組織拱頂下沉觀測，故缺乏拱頂下沉監測值。臨界破壞地表沉降和收斂值見表2。

表2　臨界破壞地表沉降值與收斂值

（2）曹源隧道右洞出口

2007年5月12日，受下臺階開挖影響，YK244+ 655周邊收斂、拱頂下沉和YK244+641地表沉降急劇增大，且下臺階水平收斂變化最大，達23.73mm，下臺階部位見較多裂縫，外鼓，13日、14日裂縫發展，變形加劇，為圍巖往洞內推移，“內斂”所致，及時反饋給有關各方（發反饋單cyfk-002）后，施工單位及時在YK244+655附近下臺階兩側各布設8根U型鋼斜支撐加固，變形停止，基本穩定。監測到的水平收斂值臨界點見表3。

表3　臨界破壞水平周邊收斂值與穩定值

4.2實測數據變形規律分析

通過對泉三高速公路曹源隧道各監測斷面結果整理，與掌子面距離1B至5B時圍巖變形的監測數據如圖9所示，從統計資料可以看出：

（1）距掌子面距離超過3B，圍巖基本穩定。當然，如下臺階開挖等施工，又進一步擾動圍巖，相應斷面的變形繼續。

（2）相對拱頂沉降和周邊收斂項目，地表沉降監測到的數據規律性更強一些，這主要是因為地表沉降觀測幾乎不受施工影響之故，而且與可以在開挖斷面未通過監測斷面時即可獲得初始值有關。由于爆破、施工影響，布點不及時等，都易造成洞內監測項目無法獲得最初變形值。

（3）從總體平均上看，實際監測數據與理論計算規律一致。即距掌子面1B完成變形50％左右；2B時完成75％；3B時則為85％；（4～6）B基本收斂。

圖9　實測變形完成量與距掌子面距離關系

5　結論

本文基于三維有限元方法，對泉三高速公路曹源隧道進行了圍巖應力和位移的洞身開挖影響分析，并結合監控量測分析結果，得出主要結論如下：

（1）隧道開挖是一個復雜的先加載后卸載的過程，這種循環荷載易造成低強度圍巖發生屈服破壞，從而喪失穩定性。隧道開挖卸荷效應在隧道拱底表現最為明顯，拱頂次之，拱腰最弱。

（2）隧道圍巖變形經歷了一個較為復雜的過程：對于拱頂和仰拱而言，豎向變形持續增加最后達到穩定，橫向變形相對穩定，縱向變形先增加后減小；對于仰拱而言，橫向位移在增加后會出現一個減小的過程。

（3）隧道變形監控量測中，拱頂和仰拱應以監測豎向變形為主，即拱頂下沉和仰拱隆起；拱腰以監測水平向周邊收斂為主。洞內監測數據一般無法反映前期施工對圍巖產生的擾動影響；洞外監測應提前布點，充分了解施工擾動效應。

（4）監測結果表明，變形主要發生在距離掌子面3B距離以內，距掌子面超過3B距離時圍巖基本穩定，距離掌子面（4～6）B距離時基本收斂。

參考文獻

［1］華薇.隧道開挖施工過程的有限元動態模擬研究［J］.四川建筑，2014（6）：91-93.

［2］張小旺，聶金生.高速公路淺埋隧道施工過程動態監測與三維有限元仿真分析［J］.公路工程，2008（5）：99-103.

［3］劉彤，劉偉，劉新東.高速公路特大斷面隧道施工過程數值分析［J］.四川建筑科學研究，2007，33（3）：210-213.

［4］陳錦輝，林旭，陳治伙. DB35/T1067-2010，公路隧道監控量測技術規程［S］.