試析山區公路隧道數值模擬施工和現場監測

謝志滿

（蘇交科集團股份有限公司 江蘇南京 211100）

引言

公路是現代化建設的一項重要內容，高速公路更是現代化社會的標志之一。隨著經濟的發展，山區公路建設是發展的必然要求。隧道和地下空間的使用越來越普及，城市的地下交通就是合理的利用地下空間，緩解地面的交通壓力和用地壓力。而山區的公路隧道卻也是山區公路建設的必要，地理位置偏遠，地形復雜，就必須要進行隧道施工保證公路的暢通，山區公路采用隧道，可以改善路線指標，在很大程度上縮短了路程和行車時間，提高了運營效率，促進我國經濟的發展，給人們的往來提供了方便。

1 研究背景

1.1 我國的山區公路隧道建設的發展

在我國的1907年中國工程是詹天佑主持修建的鐵路中的八達嶺隧道是我國的最早的隧道，后來擴展到了交通隧道。那時候，經濟水平相對落后，技術也跟不上，主要采用的深挖或者盤山公路。在20世紀我國隧道建設總共才兩千多米，發展緩慢，基本上都是短隧道，在21世紀初的時候，經濟水平的提高，交通網得到了完善和擴展延伸，山區公路建設也就進入快速發展的階段，公路隧道建設規模增大，難度也就隨著上升。隧道已經由以前的純人工建設走向了機械化智能化，隨著發展，已經形成了獨立的隧道工程領域，其中就有明挖法、頂進法、掘進機法等等。后來，經濟的快速發展，科學技術的不斷研究更新，國家重視基礎性的建設，山區隧道是處在地下封閉區域，一旦出現危險，就會造成嚴重的損失，而且隨著隧道的深入建設，其地形也就越來越復雜，在勘查工作無法完成縝密的勘察情況下，就需要采用先進的技術進行現場監控量測，然后進行數據的分析，提高相關施工人員對隧道的施工的研究，確定更加精確的施工方案，包括了施工的安全、施工的進程、施工材料以及事故預防等。新奧法就是我國山區公路隧道應用最廣泛的方法，都是以這一方法為指導，新奧法是應用巖體力學理論，以維護和利用圍巖的自承能力為基點采用錨桿和噴射混凝土為支護手段，控制圍巖的變形等問題，同時還能夠對圍巖和支護進行測量監控，指導隧道的施工。其主要的原則可以簡單的概括為：充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動；充分發揮圍巖的自承能力；盡快使支護結構閉合；加強監測，根據監測數據指導施工。后來，出現了一種隧道施工新工藝，稱之為新意法，是通過對隧道的開挖面前方超前核心土的勘察、量測，進行信息化設計和施工，保證設計的完整可靠。在2014年的時候，我國公路隧道建設已經達到了一萬多座，而且其中還有特長隧道，這對我國的經濟發展有著重要的積極意義。比如其中的陜西秦嶺終南山隧道長達18.02km，青海長拉山隧道哈勃已經高達四千多米，我國的隧道建設不光是數量，還有建設規模等都是世界上最高的國家。

1.2 我國山區隧道施工事故分析

山區公路隧道的建設，其中研究的重點就是地形情況，隧道施工的技術以及施工的安全，而且根據調查，我國隧道建設施工的事故發生也是比較嚴重的，造成了一定的人員傷亡和經濟損失，在2012年，湖南的八面山隧道出現了炸藥爆炸，造成了20人死亡，2人受傷；在2010年的重慶天池隧道，出現隧道透水，造成4人死亡，4人受傷；在2010年的死擦混呢大巴山隧道，出現塌方的情況，造成了4人死亡2人受傷。這些都是隧道施工階段發生的事故，所以隧道施工的數值模擬和現場檢測有著非常重要的作用。

2 山區公路隧道數值模擬施工和現場監測

2.1 數值模擬施工

數值模擬都被稱之為計算機模擬，是山區公路隧道施工信息化的現在象征，他依靠電子計算機的模擬技術，通過數值的計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題研究的目的。數值模擬的一個應用的步奏：①建立反映問題本質的數學模型，也就是反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件。②尋求高效率、高準確度的計算方法，隨著發展，出現了多種計算方法，包括了微分方程的離散化方法及求解方法、貼體坐標的建立等。③就可以開始編制程序和計算，這一過程是比較復雜的，也是整個里面最重要最占據時間的一個過程，數值求解方法在理論上不夠完善，要通過實驗來加以驗證。④計算完成之后，會通過圖象顯示出來，數值模擬的水平越高，那么所顯示的也就越逼真。

數值模型的內容需要結合實際工程的的情況，就包括了地質報告和實際的地質情況建立模型，就比如某山區，地貌上屬于剝蝕中低山區，這一山區的海拔在伍佰伍拾到780多米之間，相對的高差在229m左右，溝谷成U型，植被比較發育。隧道的圍巖屬于第Ⅳ類，此隧道采用的是復合型支護結構。其中花崗巖、噴射混凝土以及中空注漿錨桿都有特定的黏聚力、摩擦角、彈性模量以及重度等。這里數值模擬建設采用上下臺階施工方法，分析位移的變化，通過圖形數值的顯示，則可以確定拱頂的位移情況和水平位移情況，該公路采用復合式襯砌，其設計的方法就是最常見的新奧法，剛開始的時候支護是噴射混凝土、格柵鋼架、錨桿、鋼筋網共同組成聯合支護系統，噴射混凝土用C20混凝土厚度20cm，錨桿采用φ25注漿錨桿，長度3.5m錨桿的間距在120cm第二次采用的是C25鋼筋混凝土厚60cm，他們共同承受永久荷載，以此來確保隧道結構安全。

2.2 現場監測

山區公路隧道設計和爆破開挖情況，然后對隧道進行地表沉降量測，水平收斂等量測。通過監控測量的具體情況，就可以讓其施工程序的安排更加合理，而且還能進行事故的預防，提高隧道施工的質量，保證水道施工的安全。現場監測包括了隧道拱頂沉降監測，隧道洞內水平收斂檢測以及地表沉降監測。①山區公路隧道拱頂沉降檢測，通過拱頂的位移情況，確定位移的平均速率，根據圍巖基本穩定的標準，確定沉降的情況，是否在控制范圍之內，確定受影響的情況是否會對施工的安全產生威脅。同時要注意的是，在隧道開挖施工的過程中要持續的進行拱頂監測，確保施工的安全。②山區公路隧道洞內水平收斂監測，主要是通過水平收斂的曲線判斷位移的速率，與之圍巖基本穩定的標準的比較，是否在控制范圍之內，同時也通過曲線情況，確定是否受爆破開挖的影響，是否對隧道施工安全造成威脅。③山區公路隧道洞口地表沉降監測，還是一樣對地表沉降曲線進行分析研究，確定沉降的變化情況，是不是會受爆破和開挖的影響，是否會對隧道施工安全造成威脅。

通過數值模擬和現場的監測，比較其模擬和儀器量測的結果，就可以適當的調整參數，選擇合理的支護方式，確保施工的安全。

3 風險控制

隨著發展，堅持以人為本，人們的安全意識也得到了提高，隧道建設也更加重視施工安全，山區公路隧道建設中，越來越重視隧道數值模擬和現場的監測，數值模擬可以全面的預測隧道開挖的過程，現場監測通過儀器的測量的數據分析，掌握圍巖的動態和支護結構的原理，通過模擬測量，就可以恨到的確定施工的情況，預測事故并且及時的做好防預措施。數值模擬和現場監測也是隧道施工合理的一個重要指標。通過模擬監測得出最終的結果，結合現場的實際施工情況，分析山區隧道施工過程中的變形規律，根據模擬數值和量測數據的分析，對隧道施工進行風險評估，并提出相應的措施，調整支護參數，達到優化的目的。

4 結束語

隨著山區公路建設的發展，復雜的地質條件下的隧道建設難度增加，在山區公路隧道建設中，有著一些事故的發生，對施工人員的生命安全造成了危險，也造成了嚴重的經濟損失，所以隧道的施工安全，科學合理是當前山區公路隧道建設研究的主要問題。在發展的新時期，科學技術不斷的更新發展，其中計算機技術已經應用到了各行各業中，在公路隧道建設也一樣。本文主要分析了山區公路隧道建設中，數值模擬掌握施工的整個過程，進行現場監測對隧道拱頂沉降，水平收斂以及地表沉降等數據圖形分析，采用最合理的施工方法，確保施工的安全，提高施工效率。