基于巖土控制變形工法的公路隧道施工變形分析
——以野豬山隧道為例

談 識， 丁文其， 劉 誠， 劉 挺， 郭洪雨

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092；2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 寧波市高等級公路建設指揮部，浙江 寧波 315192； 4. 浙江省交通規劃設計研究院， 浙江 杭州 310006)

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基于巖土控制變形工法的公路隧道施工變形分析
——以野豬山隧道為例

談 識1, 2， 丁文其1, 2， 劉 誠1, 2， 劉 挺3， 郭洪雨4

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092；2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092； 3. 寧波市高等級公路建設指揮部，浙江 寧波 315192； 4. 浙江省交通規劃設計研究院， 浙江 杭州 310006)

寧波野豬山公路隧道右線出口段埋深淺、圍巖差，采用巖土控制變形工法施工。該工法在我國公路隧道施工中幾乎未有使用。本文通過數值模擬和現場監測數據對比分析，得出： 1)隧道地表沉降的開挖空間效應約為0.6倍跨徑，并據敏感程度劃分為沉降敏感區、敏感過渡區、穩定區3個區域； 2)隧道拱頂沉降約60%發生在掌子面到達監測斷面前，開挖空間效應稍大于單倍跨徑; 3)隧道掌子面擠出變形呈外凸拋物面形態，建議施工中纖維錨桿的搭接長度設為6 m，并據擠出變形發展速率劃分為快速發展、穩定發展、基本穩定3個階段。

公路隧道； 巖土控制變形工法； 施工變形； 超前核心土； 玻璃纖維錨桿； 數值模擬； 監測分析

0 引言

近年來，我國公路隧道數量顯著增加，建設質量也有了大幅提升。為了優化完善國內的交通網絡，越來越多的隧道工程需面對復雜的修建環境。針對軟弱圍巖大斷面隧道，在工期和質量的雙重要求下，更多的施工新技術不斷被采用，巖土控制變形分析(ADECO-RS)施工工法是其中一種較為新穎的工法。

軟弱圍巖變形控制工法由意大利學者P.Lunardi[1]提出，認為隧道的穩定情況直接受掌子面超前核心土擠出變形的影響，隧道掌子面超前核心土的加固可防止隧道塌方，同時可采用全斷面開挖并及時進行閉合支護來提高開挖效率。該工法在國內亦被稱為新意法，以區別傳統的新奧法。翟進營等[2]介紹了新意法的理論基礎、新意法隧道設計施工的基本步驟以及新意法與新奧法的不同之處。肖廣智等[3]介紹了新意法的基本思想、具體操作過程及其在國外的應用情況。曠文濤等[4]采用數值模擬方法提出新意法的施工參數對擠出變形的敏感順序。周捷[5]通過數值模擬提出超前核心土加固參數對擠出變形的影響。師曉權等[6]通過模型試驗研究了掌子面錨桿的預加固效果及作用特點。鄭寧等[7]從超前支護參數確定方法、超前核心土周圍圍巖預加固參數以及超前核心土掌子面加固參數等方面對野豬山公路隧道進行了分析總結。李玉平[8]結合平定高速公路臥龍隧道Ⅵ級圍巖飽和黃土段施工,采用超前預注漿承載拱、掌子面水平旋噴樁技術,取得了較好的施工效果。趙錄學[9]針對新意法特點,就復雜地質條件下隧道選線、襯砌支護參數的選定及施工方案提出了具體的建議。劉江濤等[10]針對蘭渝鐵路某隧道位于未成巖富水粉細砂層的實際工況,采用“新意法——巖土變形控制工法”對未成巖富水粉細砂層進行預加固,達到了預期目的，認為該工法能夠成功運用于未成巖富水粉細砂層。但綜合看來，巖土控制變形分析在公路隧道領域的應用及分析研究還比較少，尤其是現場的監測數據更是稀少。

本文以寧波野豬山公路隧道為工程背景，采用數值計算和現場監測數據對比分析，研究巖土控制變形分析工法在軟巖淺埋公路隧道開挖過程中的施工變形規律，為隧道安全施工提供理論分析和新工法推廣基礎。

1 工程概況

1.1 工程簡介

寧波野豬山隧道設計速度為100 km/h，為4車道分離式隧道。隧道出口位于直線段上，左右線隧道縱坡設計均為雙向坡，坡率分別為0.8%和-1.5%。隧道右洞出口試驗段最小埋深為1 m，最大埋深為10 m，隧道開挖跨度達13 m，高度為10 m，大部分開挖段屬超淺埋。為了保證隧道的施工安全，將右洞出口段(YK60+249～+295)作為開展基于巖土控制變形施工工法研究的科研試驗段。

該科研試驗段淺部為殘坡積層，以碎塊石和含碎石粉質黏土為主。下伏基巖為全—中風化安山巖，其中： 全風化層處于地下水位以下，長期飽水后強度低；強風化層為塊狀構造，節理裂隙極發育；中風化節理裂隙較發育。第四系碎石土和全-強風化層厚度大，滲透性好，地下水埋深1.2～1.6 m，地下水豐富，隧道施工時可能發生淋雨狀或涌泉狀出水。圍巖分級總體評定為V級。科研試驗段縱斷面及監測布置見圖1。

圖1 隧道出口科研段縱斷面及監測布置

Fig. 1 Longitudinal cross-section of tunnel exit and layout of field monitoring points

1.2 施工方法與過程

野豬山隧道科研試驗段采用基于軟弱圍巖變形控制的全斷面開挖工法施工。為保證安全、快速地開挖，根據現場工程地質情況，洞口段(YK60+265～+295)超前支護采用大管棚加單排超前注漿小導管，其余段(YK60+249～+265)超前支護采用雙排超前注漿小導管。此外，開挖前對掌子面超前核心土打設玻璃纖維錨桿并注漿加固。全斷面開挖時，每循環開挖進尺為1 m，斷面開挖至仰拱頂面，立即支拱并在兩端拱腳處將鋼拱架掏槽落底。

掌子面玻璃纖維錨桿支護參數及形式如圖2所示。

1)錨桿規格： 18 m長、外徑32 mm、內徑12 mm中空玻璃纖維注漿錨桿。

2)錨桿布置： 垂直于掌子面，1.2 m×1.2 m間隔布置，加固密度0.69根/m2，兩側水平加固，外插腳15°。

3)縱向間距： 每循環18 m，搭接長度約6 m。

2 數值分析模型和計算參數

2.1 數值分析模型

針對野豬山隧道右洞出口軟弱圍巖段V級圍巖條件，利用有限元分析軟件Midas GTS NX 模擬隧道YK60+295～+249段開挖過程，每開挖步為1 m。考慮消除邊界效應引起的計算誤差，左右邊界距隧道邊界應為3倍洞徑以上，下邊界距隧道底部取3倍洞高，上邊界至地表。因此，本模型縱向長度為55 m(對應現場YK60+295～+240)，寬度為80 m(隧道居中)，高度為28.5 m；模型上邊界沿山體趨勢建模，隧道出口處距地表1 m，最大埋深14 m。模型頂部自由，四周及底部設置位移邊界約束。超前支護按照每6 m一個循環，掌子面超前核心土加固按照每18 m一個循環，隧道采用全斷面開挖。三維數值分析模型及超前核心土玻璃纖維錨桿如圖3所示。

(a) 玻璃纖維錨桿立面示意圖

(b) 玻璃纖維錨桿布置示意圖

(a) 三維數值模型

(b) 超前核心土玻璃纖維錨桿

Fig. 3 3D model and glassfiber bolts in advanced core soil used in numerical analysis

2.2 計算參數

模型圍巖材料和超前管棚采用實體單元，服從摩爾-庫侖破壞準則。玻璃纖維錨桿采用錨桿單元模擬。隧道的初期支護按彈性材料考慮，采用殼單元模擬。另外，數值模擬中不考慮二次襯砌對計算結果的影響。根據地質勘察資料，結合JTG D70—2004《公路隧道設計規范》[11]要求，確定模型的力學參數如表1所示。

表1 模型力學參數

3 計算結果與分析

3.1 地表沉降分析

圖4和圖5分別為隧道開挖14、24 m時的圍巖豎向位移云圖。圖6為隧道開挖14、24 m時，YK60+285～+271區域的地表縱向沉降趨勢圖。由圖可知： 開挖14 m時，YK60+285斷面(距掌子面4 m)地表沉降最大，約為10 mm； 開挖24 m時，YK60+282斷面(距掌子面11 m)地表沉降最大，約為20 mm。從YK60+281斷面開挖至YK60+271斷面，地表沉降變化最大值在YK60+276斷面處，約為17 mm。開挖14 m時，由于YK60+295～+281區域處于進洞口處，山體斜坡坡度較小，因而隧道拱頂及地表最大沉降區距掌子面較遠，約5 m左右。當開挖24 m時，其上覆山體坡度較大，掌子面拱頂上前方位移明顯，位移云圖中形成一個立體的“牛角”形狀，其范圍從掌子面拱部向上延伸到地表。該“牛角”范圍內的豎向位移較大，需采取超前加固，否則在施工擾動或雨水天氣干擾下，拱頂位移易發展過大而有塌方危險。

圖4 隧道開挖14 m圍巖豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 4 Vertical displacement nephogram of surrounding rock when excavation by 14 m (m)

圖5 隧道開挖24 m圍巖豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 5 Vertical displacement nephogram of surrounding rock when excavation by 24 m (m)

圖6 隧道縱向地表沉降及變化(從YK60+281斷面開挖至YK60+271斷面)

Fig. 6 Longitudinal ground surface settlement variation of (excavation from YK60+281 to YK60+271)

圖7示出隧道從YK60+279斷面開挖至YK60+263斷面過程中YK60+275斷面的地表沉降變化。由圖可以看出，各開挖距離下地表沉降規律基本一致，即隧道軸線處的地表沉降最大，距隧道中線越遠，地表沉降越小。當隧道開挖至YK60+279斷面時，地表最大沉降為13 mm； 當隧道開挖至YK60+275斷面時，地表最大沉降為22.5 mm； 當隧道開挖至YK60+263斷面時，地表最大沉降為27 mm。其中： 隧道從YK60+279斷面開挖至YK60+275斷面時，地表沉降變化最大，地表沉降增大10 mm；從YK60+267斷面開挖至YK60+263斷面時，地表沉降變化很小，可認為YK60+275斷面的地表沉降已趨于穩定。該數值模型分析結果顯示，在本項目施工中約70%的地表沉降發生在開挖至監測斷面前，開挖的空間效應影響范圍約為8 m，約為隧道跨徑的60%。

3.2 拱頂沉降分析

圖8示出隧道從YK60+295斷面開挖至YK60+253斷面過程中YK60+285斷面的拱頂沉降變化。根據拱頂沉降速率判斷，從YK60+295斷面開挖至YK60+280斷面，拱頂沉降處于快速增長階段[12-13]； 從YK60+280斷面開挖至YK60+270斷面，拱頂沉降處于穩定增長階段； 開挖至YK60+270斷面后，拱頂沉降處于基本穩定階段。開挖至YK60+280斷面前，拱頂沉降為7 mm； 至穩定時，拱頂沉降為12 mm。該數值模型分析結果顯示，在本項目施工中約60%的拱頂沉降發生在開挖至監測斷面前，開挖的空間效應影響范圍約為15 m，約為單倍隧道跨徑。

圖7 YK60+275斷面地表沉降隨掌子面推進變化曲線

Fig. 7 Ground surface settlement varies with tunnel face advance (YK60+275)

圖8 YK60+285斷面拱頂沉降隨掌子面推進變化曲線

Fig. 8 Crown top settlement varies with tunnel face advance (YK60+285)

3.3 掌子面擠出變形分析

YK60+269斷面擠出變形云圖如圖9所示。由圖可知，隧道開挖時掌子面有較明顯的擠出位移，擠出變形最大值在掌子面中心偏下處，約為16.7 mm。掌子面擠出變形呈“兩端小、中間大”的三維形態，即類似外凸的拋物面形態。擠出變形在隧道前方約3 m范圍內影響較明顯，擠出變形量可達到10-2m級。

4 現場監測與數值分析結果對比分析

4.1 現場監測布置

根據科研需要及現場施工條件綜合確定，地表沉降監測斷面里程樁號分別為YK60+285、YK60+280、YK60+275、YK60+271，隧道收斂及拱頂沉降監測斷面里程樁號分別為YK60+295、YK60+290、YK60+285、YK60+280、YK60+275，掌子面擠出變形監測斷面里程樁號分別為YK60+285、YK60+269，見圖1。

圖9 YK60+269斷面擠出變形云圖(單位： m)

Fig. 9 Extrusion deformation nephogram of cross-section (YK60+269)(m)

4.2 隧道地表沉降對比分析

掌子面從YK60+281斷面推進至YK60+271斷面過程中，隧道縱向地表沉降數值模擬與現場監測對比如圖10所示。圖中橫坐標0代表YK60+271斷面,橫軸為監測斷面距掌子面距離，距離為負表示監測斷面在YK60+271掌子面之后。由圖可知，現場監測和數值模擬結果均顯示出，在YK60+285～+271開挖過程中，地表沉降存在一個極大值，地表沉降變化絕對值整體呈先增大后減小的趨勢，與文獻[14]所得規律相一致?，F場監測的地表沉降極大值出現在YK60+275斷面附近(距掌子面4 m)，約為25 mm；數值模擬分析的地表沉降極大值出現在YK60+277和YK60+276斷面附近(距掌子面5 m，亦是YK60+281至YK60+271的中間斷面)，約為18 mm。受開挖空間效應、隧道斷面埋深變化、地質水文條件等因素影響，現場監測極大值斷面位置與數值模擬分析結果有差異，位于開挖區間中部并靠向掌子面，且監測數據結果較大，可能是由于監測期間連續降雨導致地表變形增大的結果。

在YK60+281斷面之后地表沉降的數值模擬分析結果與監測數據吻合度較高，在YK60+281～+271區間數值模擬值較監測值小，但兩者地表沉降規律基本一致。

圖10 隧道縱向地表沉降數值模擬與現場監測對比

Fig. 10 Longitudinal ground surface settlements by numerical simulation and field monitoring

掌子面從YK60+281斷面推進至YK60+267斷面過程中，YK60+275斷面數值模擬地表沉降變化與現場監測對比如圖11所示。由圖可知，隨著掌子面的推進，隧道開挖對YK60+275斷面的地表沉降影響逐漸減弱；開挖至YK60+271時，數值模擬顯示YK60+275斷面的地表沉降值約為25 mm，與監測數據26 mm基本一致；開挖至YK60+267斷面時，對YK60+275斷面的沉降變化已基本無影響，與數值模擬分析的空間效應基本吻合。

由于現場施工條件限制，隧道左側地表放置1水箱，因此，現場監測左側地表沉降偏大，而右側正常且與數值模擬結果吻合較好。由隧道右側監測數據及數值模擬可知，距隧道中軸線10 m內，地表沉降變化明顯，沉降值為9～29 mm，即距隧道1.5倍跨徑內地表沉降明顯，該區域應作為沉降重點控制區域。距隧道中軸線10 m處，地表沉降為9 mm；距隧道中軸線15 m處，地表沉降為5 mm；距隧道中軸線20 m處，地表沉降為1 mm；距隧道中軸線20 m以外，地表沉降可忽略。

依據地表沉降曲線的斜率變化，將地表沉降影響范圍分為3個區域，即： 距隧道中軸線10 m(1.5×(B/2))(B為隧道跨徑)內為地表沉降敏感區，地表沉降敏感系數約為2 mm/m，該區域需加強監測且必要時采取沉降控制措施；距隧道中軸線10～20 m(1.5×(B/2)～3×(B/2))為地表沉降敏感過渡區，地表沉降敏感系數約為0.8 mm/m；距隧道中軸線20 m(3×(B/2))之外為地表沉降無影響區，地表沉降敏感系數幾乎為0。

圖11 YK60+275斷面地表沉降數值模擬與現場監測對比(從YK60+281斷面開挖至YK60+267斷面)

Fig. 11 Ground surface settlement of cross-section YK60+275 based on numerical simulation and field monitoring(excavation from YK60+281 to YK60+267)

4.3 拱頂沉降對比分析

YK60+285斷面拱頂沉降數值模擬與現場監測對比如圖12所示。由圖可知，二者的發展趨勢一致，隨著掌子面的推進，拱頂沉降變形不斷增大，并逐漸趨于穩定，與文獻[15]所得規律相一致。監測結果顯示YK60+285斷面的拱頂沉降穩定值約為10 mm，數值模擬結果顯示其拱頂沉降穩定值約為12 mm，二者基本一致。YK60+285斷面拱頂沉降速率隨著距掌子面距離的增大而逐漸減小，監測結果顯示YK60+285斷面拱頂沉降在其距開挖面14 m左右時穩定，而數值模擬結果顯示在其距開挖面15 m左右時穩定，二者基本吻合。

圖12 YK60+285斷面拱頂沉降數值模擬與現場監測對比

Fig. 12 Crown top settlement of cross-section YK60+285 based on numerical simulation and field monitoring

4.4 掌子面擠出變形對比分析

YK60+269斷面擠出變形量測是在該掌子面停滯時進行的，擠出變形主要來源于大斷面開挖引起的圍巖應力釋放。圖13為不同時刻監測所得到的YK60+269斷面擠出變形值和數值模擬不同荷載釋放系數下的擠出變形縱向分布，即控制YK60+270～+269開挖步的荷載釋放系數，以得到YK60+269斷面的擠出變形增量值。圖14為YK60+269斷面超前核心土擠出變形隨監測時間的發展趨勢。

圖13 掌子面超前核心土擠出變形的空間效應(現場監測與數值模擬)

Fig. 13 Development of extrusion deformation under spatial effects based on numerical simulation and field monitoring

結合監測數據和數值模擬結果可以看出：

1)大斷面開挖的軟弱圍巖隧道，掌子面停滯情況下的圍巖應力釋放是一個隨時間不斷發展的過程，且這種應力釋放將促使超前核心土不斷變形，對隧道的穩定造成不利影響。

圖14 掌子面超前核心土擠出變形的時間效應(現場監測)

Fig. 14 Development of extrusion deformation under temporal effects based on field monitoring

2)掌子面擠出變形隨著距掌子面距離的增大而減小，并且變化速率也隨著距掌子面距離的增大而逐漸減小，監測數據和數值模擬結果均顯示距離掌子面6 m以內，擠出變形值變化較為劇烈，可以作為圍巖松動區的判定范圍，因此，建議現場施工中掌子面纖維錨桿的搭接長度設為6 m。

3)掌子面擠出變形在開挖后4 h內為快速發展階段，速率約為0.57 mm/h，約70%擠出變形發生在該階段； 開挖后4～25 h為穩定發展階段，速率約為0.038 mm/h； 25 h后為基本穩定階段。因此，為有效控制掌子面擠出變形，預防較大拱頂沉降和地表沉降，需盡量提高施工效率，減少掌子面停滯時間，盡量控制在4 h內。

5 結論與建議

通過數值模擬和現場監測的方法，對基于巖土控制變形工法施工的野豬山公路隧道在施工過程中地表沉降、拱頂沉降、掌子面擠出變形等的變化規律進行分析，得出以下結論。

1)在施工區間內，隧道地表沉降呈先增大后減小趨勢，且存在沉降的極大值。隧道開挖對地表沉降的空間效應約為0.6倍隧道跨徑。

2)根據地表各區域對該隧道開挖的敏感程度不同劃分為3個區域： 距隧道中軸線1.5×(B/2)內為地表沉降敏感區；距隧道中軸線1.5×(B/2)～3×(B/2)為地表沉降敏感過渡區；距隧道中軸線3×(B/2)外為地表沉降穩定區。

3)該隧道施工拱頂沉降約60%發生在掌子面到達監測斷面前，隧道開挖對拱頂沉降的空間效應稍大于單倍隧道跨徑。

4)該公路隧道施工中掌子面擠出變形呈“兩端小、中間大”的外凸拋物面形態。在掌子面前方約6 m范圍內擠出變形發展較為劇烈，可以作為圍巖松動區的判定范圍，建議現場施工中掌子面纖維錨桿的搭接長度設為6 m。

5)根據該隧道施工中掌子面擠出變形發展速率，可分為3階段： 開挖后4 h內為快速發展階段； 開挖后4～25 h為穩定發展階段； 25 h后為基本穩定階段。為有效控制掌子面擠出變形，預防較大拱頂沉降和地表沉降，施工停滯時間應盡量控制在4 h內。

巖土控制變形工法具有施工機械化程度高、施工進度和造價可控等特點，應用前景廣闊； 但由于目前國內缺乏相應施工機械的研發與生產以及在各地質條件下的施工經驗不足，在一定程度上約束了該工法的進一步推廣。

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Analysis of Deformation of Yezhushan Highway Tunnel Construction Based on Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils (ADECO-RS)

TAN Shi1, 2， DING Wenqi1, 2， LIU Cheng1, 2， LIU Ting3, GUO Hongyu4

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineering(TongjiUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200092,China; 3.NingboHighwayConstructionBureau,Ningbo315192,Zhejiang,China;4.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanningDesign&Research,Hangzhou310006,Zhejiang,China)

ADECO-RS (analysis of controlled deformation in rocks and soils) method is used in Ningbo Yezhushan Highway Tunnel with shallow buried depth and weak surrounding rock. The above-mentioned method is hardly used in highway tunnel construction in China. Based on the analysis of numerical simulation and field monitoring, some results are obtained as follows: 1) As for surface subsidence of Yezhushan Tunnel, the spatial effect of excavation is 0.6 times the span and the settlement area can be divided into 3 parts, namely, sensitive area, sensitive transition area, and stable area. 2) The spatial effect of excavation on tunnel crown top settlement is almost a span and 60% of crown top settlement occurs before tunnel face reaches monitoring section. 3) Three-dimensional morphology of Yezhushan Tunnel face extrusion is outer convex parabolic; lap length of fiberglass bolt is suggested to be 6 m and the development of extrusion deformation is segmented into three stages.

highway tunnel; ADECO-RS; construction deformation; advanced core soil; fiberglass bolt; numerical simulation; monitoring analysis

2016-09-14;

2017-02-22

基于軟弱圍巖變形控制工法的公路隧道安全施工關鍵技術研究項目(201611); 國家自然科學基金項目(51578408); 復雜環境下淺埋大斷面互通隧道關鍵技術研究項目(20133139)

談識(1991—)， 男， 江蘇揚州人，同濟大學隧道與地下建筑工程專業在讀博士,主要從事隧道及地下工程設計和施工技術等方面的研究工作。E-mail： 1170893859@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.011

U 459.2

A

1672-741X(2017)05-0593-07