高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測模型分析

楊 帆

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平不斷增長，交通建設(shè)水平和速度已經(jīng)難以滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求。我國的交通修建工程主要包含路基、橋梁、隧道等項目，隧道作為地層中主要的交通建筑物，隨著科技現(xiàn)代化的發(fā)展，其工程已經(jīng)成為我國現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分[1]。

我國丘陵地區(qū)在高速公路的修建過程中常常會出現(xiàn)偏壓型的隧道，此類隧道在修建的過程中需要考慮巖體穩(wěn)定情況與技術(shù)手段因素。目前我國主要應(yīng)用數(shù)值模擬的方式進行偏壓隧道偏壓段技術(shù)性與穩(wěn)定性的研究，通過建立相關(guān)隧道洞口的數(shù)據(jù)三維模型對不同狀態(tài)的偏壓隧道洞口施工進行模擬計算與指導(dǎo)分析，采用數(shù)值模擬的方式還能夠應(yīng)用相關(guān)公式進行更深層次的隧道修建工程預(yù)測。對于軟巖層結(jié)構(gòu)的偏壓型隧道進行數(shù)據(jù)模型構(gòu)建同樣需要應(yīng)用偏壓隧道洞口的數(shù)據(jù)進行建模分析，因此在隧道的偏壓段進行施工與建成后的運行中需要實時獲取隧道洞口偏壓段的數(shù)據(jù)，方便其他模型的構(gòu)建與分析。

為此，本文將對高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測模型構(gòu)建，以滿足隧道工程在修建以及運行過程中的數(shù)據(jù)需求以及相關(guān)數(shù)值模擬。

1 岑溪大隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測與數(shù)值模擬分析

1.1 施工方案

本文采用岑溪大隧道洞口為實驗監(jiān)測模型。該隧道位于西南部丘陵地帶，屬于構(gòu)造性斷裂塊隆起區(qū)域，地表巖層自上而下，分別是碎石黏土、砂土風化凝灰熔巖和碎塊狀風化凝灰熔巖。隧道全長950 m，凈高10.3 m，寬度為15.2 m，在洞口左側(cè)地區(qū)有地下水滲出情況[2]。

在修筑隧道初期需要挖開坡體地區(qū)的部分土石，建造隧道初步模型，因此會導(dǎo)致坡體上方的土石構(gòu)造發(fā)生形變。隨著坡體不斷開挖，甚至會造成局部坡體滑落或坍塌等狀況，地表也會因為坡體結(jié)構(gòu)變化、地下水沖擊產(chǎn)生開裂或滑坡等問題[3]。因此，為滿足后期隧道施工順利完成的需求，需要采用坡體注漿方法對隧道洞口偏壓地段進行加固，防止坡體坍塌，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

邊坡加固需要用計算機運算程序?qū)λ淼蓝纯谄珘翰糠值慕Y(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征等因素進行分析，考慮巖石坡體的滑動情況、支撐強度以及自然狀態(tài)下土層滑動方向和速度等信息，然后依據(jù)地質(zhì)工程學(xué)相關(guān)知識，為偏壓地區(qū)的加固防護工作提供專業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)[5]。

施工前要運用計算機三維建模系統(tǒng)對施工坡體和隧道結(jié)構(gòu)進行模型構(gòu)建[6]。計算整體監(jiān)測空間的存儲范圍，設(shè)置范圍查詢監(jiān)測計算模型如圖1所示。將隧道初期防護網(wǎng)混凝土和鋼管支架結(jié)構(gòu)建立二維的平面模型，以坡體橫切面為模型主體，橫向延伸90 m范圍，豎向高度取3 m，使模型左右兩側(cè)受到水平限制，坡面可定義為自由邊界區(qū)，在規(guī)定自由區(qū)域后，對其內(nèi)部受力狀態(tài)進行解析，并構(gòu)建內(nèi)部受力狀態(tài)圖，如圖2所示。

圖1 計算模型圖

圖2 內(nèi)部受力狀態(tài)圖

隧道偏壓地段的加固防護措施分為三種，根據(jù)偏壓狀況采取不同的加固措施：

(1)工況1：采用坡面掛網(wǎng)噴漿和砂漿錨桿做坡面支護。在坡面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射厚度大約為10 cm的混凝土，然后在坡面的垂直方向打入3 m長的砂漿錨桿。這種方法最經(jīng)濟實用，但對坡體的加固效果較差。

(2)工況2：以坡體注漿為加固支護的主要方式。在需要加固的偏壓地段的坡體表面鉆出直徑為60 mm的孔洞，每隔2 m一個，孔洞深度大約為9 m。用直徑為50 mm的長鋼管將C20水泥注射到坡體內(nèi)進行加固，注射壓力約為3 MPa，能夠使水泥漿液在坡體內(nèi)擴散半徑為1 300 mm左右。這種方法適用范圍比較廣泛，但缺少骨架支撐，加固效果仍不理想。

(3)工況3：和工況2的操作類型相似，通過在偏壓段垂直打入14根10 m長、直徑為100 mm的鋼管，再通過鋼管對坡體注射C20水泥進行加固。這種注漿方式能夠加固巖石土體，嵌入底層的鋼管也能夠加固巖石結(jié)構(gòu)，固定坡體位置，穩(wěn)定性更強，更有利于后期的建設(shè)。這種方法相對來說加固效果更好，有骨架支撐更穩(wěn)定，但成本較高，對經(jīng)濟水平要求高。

通過對勘測情況和測量數(shù)據(jù)的分析，能夠計算出三個工況對坡體穩(wěn)定程度的安全系數(shù)：工況1的安全系數(shù)未達到規(guī)范中的1.4安全系數(shù)要求標準，不利于隧道施工的開鑿和搭建；工況2的安全系數(shù)比1.4的要求標準高出0.8%左右，但仍舊無法達到施工方案的安全預(yù)期目標；工況3的安全系數(shù)相對于工況2提高了18.3%，這說明工況3的鋼管注漿加固方法比工況2更有效，更能提高對坡體偏壓部分加固的穩(wěn)定性。因此，對于岑溪大隧道洞口偏壓段的施工防護方案應(yīng)選取工況3的加固方法[7]。

1.2 實時監(jiān)測與分析

在隧道洞口偏壓段施工的同時，還要同步進行實時監(jiān)測。在使用工況3方案對偏壓段坡體進行支護加固過程中，在坡體表面布置監(jiān)測點，從隧道底部到坡頂垂直均勻布置10個觀測點；在隧道頂部拱狀部位，以最高點為中心向兩側(cè)擴散，間隔4 m共布置7個觀測點。

在對偏壓段坡體開始進行支護加固時，隧道開挖工程也逐步開始，各個監(jiān)測點對每日的隧道開挖工作和坡體加固工作進行監(jiān)測，工作人員記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，并完成匯總和分析。從記錄數(shù)據(jù)可以看出，隧道開挖前期頂部監(jiān)測點位移變動較大，表明此時間段偏壓地段加固工作仍未完成。隨著時間推移，垂直向的監(jiān)測點變化不大，頂部監(jiān)測點在隧道開挖工程后期位移程度逐漸減小，形變趨勢逐漸趨于平緩。由此表明，工況3方案對隧道偏壓段的加固工作完成效果很好，鋼管錨桿對巖石土體的固定效果較好，注漿之后土體之間也得到了較強水平的加固，使整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并設(shè)置防護支架，利用支架的性能提升整體穩(wěn)固水平。

隧道開挖期間由于坡體上方加固工程的進行和部分坡體下滑，導(dǎo)致隧道頂部觀測點受到擠壓，觀測點位置水平下降，而分布于頂部兩側(cè)位置的觀測點卻相對上升[8]，并隨著隧道開挖和加固工程的不斷進行，頂部兩側(cè)觀測點位移程度呈不同幅度的起伏，越靠中間頂部位置的觀測點位移程度越大。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，觀測點位移大部分呈現(xiàn)垂直方向的上下位移，最終最頂部位移變化呈沉降狀態(tài)，沉降值大約為16 mm。而隧道頂部兩側(cè)觀測點位移變化不大，在最靠近坡體下滑偏壓部分的觀測點位移最大值為5.2 mm，越靠近加固區(qū)域的觀測點位移變化越小，變化趨勢越穩(wěn)定。

由此可見，在隧道開挖之前對坡體下滑和隧道偏壓地段采取有效的加固措施，能夠?qū)φw隧道建設(shè)工程起到很好的固定作用，不僅在一定程度上節(jié)約了隧道施工的整體時間，而且有效地提高了隧道和坡體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時也減小了安全事故發(fā)生的可能性，為整個工程的順利進行提供了安全保障。另外，也證實了鋼管注漿加固方法更適用于不穩(wěn)定的坡體滑動和隧道偏壓段的加固工作，不過這種方法也會受到地下水流動狀態(tài)的影響，對于這方面局限在后期會進行進一步的研究實驗。

1.3 實時監(jiān)測的數(shù)值模擬分析

本文數(shù)值模擬分析操作利用數(shù)值模擬軟件進行數(shù)據(jù)檢驗，按照不同的洞口偏壓段實時監(jiān)測數(shù)據(jù)掌握基礎(chǔ)監(jiān)測信息狀態(tài)，及時調(diào)整與偏壓段不相符的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)偏壓段的地形特征以及操作結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)數(shù)值管理與研究。利用有限元強度分析方法對洞口的偏壓段進行有效分析，同時匹配與偏壓段信息相關(guān)度較大的階段數(shù)據(jù)。在施工環(huán)境中對隧道底層巖土的結(jié)構(gòu)進行分析，判斷其影響因素與巖土層間的關(guān)系，并根據(jù)分析的關(guān)系進行洞口偏壓段監(jiān)測信息管理操作，計算整體隧道的操作信息，并構(gòu)建數(shù)值計算簡圖(如圖3所示)。

圖3 數(shù)值計算簡圖

利用偏壓段反應(yīng)云圖調(diào)整監(jiān)測位置，并標記檢測位置點，按照標記的節(jié)點坐標查詢相應(yīng)的監(jiān)測方位，記錄洞口滑坡走向，并對安全系數(shù)進行總結(jié)。同時，標記此時的坡體穩(wěn)定性，并控制穩(wěn)定性數(shù)值處于可操控范圍內(nèi)。對隧道邊緣坡體監(jiān)測角度進行調(diào)整，同時檢測調(diào)整的角度位置，并按照相應(yīng)的角度位置進行信息調(diào)配，執(zhí)行指定任務(wù)指令，獲取相應(yīng)的角度調(diào)節(jié)參數(shù)。對隧道邊緣的坡體土層進行含量檢驗，利用計算模型構(gòu)建節(jié)點平面二維顯示圖單元，在隧道的入口處設(shè)置一個單獨的監(jiān)測口，并利用網(wǎng)噴混凝土以及鋼架拱橋搭建一個數(shù)值等效模擬體。模型的計算范圍設(shè)置在平面x軸方向上，將整個計算模型的底部作為整體數(shù)值計算的中心空間，在平面y軸方向上取40 m，并定義隧道邊緣通道口為計算邊界，約束公路偏壓隧道內(nèi)部的監(jiān)測操作。根據(jù)設(shè)定的自由邊界對偏壓段左右兩側(cè)的方位數(shù)值信息進行檢驗。構(gòu)建隧道邊緣坡體防護支架結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 隧道邊緣坡體防護支架結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4對隧道坡體進行注漿操作，澆灌混凝土材料，在鋼管灌注區(qū)域利用鋼管向坡體表面澆筑C20混凝土，同時對混凝土的加固條件進行數(shù)值計算分析。根據(jù)計算所得的數(shù)值調(diào)整加固操作，結(jié)合相關(guān)的加固理論匹配加固算法，確保監(jiān)測過程的安全可靠。

執(zhí)行監(jiān)測指令，將指令信息由坡體邊緣傳導(dǎo)至土體外層，同時選用計算模型對傳導(dǎo)的條件參數(shù)進行設(shè)定，由此達到數(shù)值模擬分析的目的。

2 岑溪偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測有限元模型的建立

利用處理后的隧道洞口偏壓段數(shù)據(jù)進行檢驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建操作，根據(jù)模型模板的土體覆蓋程度判斷該區(qū)域的檢測難度。設(shè)置錨固柱，將錨固柱固定在監(jiān)測邊緣區(qū)域，防止因監(jiān)測監(jiān)控漏洞產(chǎn)生的監(jiān)控失誤現(xiàn)象。

選取土體與支撐護架結(jié)構(gòu)相近的模型參數(shù)，及時轉(zhuǎn)變參數(shù)的數(shù)量，控制模型參數(shù)的數(shù)量在500～1 000之間。布置邊緣隧道防測點，加強對邊緣區(qū)域的管理力度，并維護邊緣區(qū)域的安全。采用監(jiān)測裝置對監(jiān)測到的目標進行集中性檢驗。選擇與檢驗的洞口需求相近的監(jiān)測位置，在獲取精準的位置信息后，標記此刻的模型模式，并記錄模型參數(shù)，以備后續(xù)研究操作。構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模型結(jié)構(gòu)圖

在隧道洞口進行坡體保護式脫離，將監(jiān)測點的唯一數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析，對測量點的起始位置進行模型構(gòu)造查詢操作，根據(jù)查詢的結(jié)果調(diào)節(jié)內(nèi)部機制。隨著測點的位移路徑，在完結(jié)以上操作后，對控制的模型進行結(jié)構(gòu)整合，將不屬于系統(tǒng)研究操作的模型部分進行調(diào)整，收集隧道挖掘信息，將信息功能與監(jiān)測數(shù)據(jù)共同收錄至傳播系統(tǒng)中，等待有限元模型的結(jié)構(gòu)傳輸。

當完成基礎(chǔ)有限元數(shù)據(jù)收集后，由于測點將會隨著土層的移動而移動，在進行測點設(shè)置的同時標記測點狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)參數(shù)獲取實時監(jiān)測的結(jié)果數(shù)據(jù)。對比階段測點的存儲方式，對階段測點的存儲空間進行查詢，并按照不同的空間數(shù)據(jù)存儲要求進行測點合理存儲操作。同時加強對存儲的管理力度，避免因存儲問題導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準度過低，進而影響整體監(jiān)測水平。

在隧道開挖期間，對監(jiān)測區(qū)域的測點位移狀況進行檢驗，并對隧道內(nèi)部的干擾因素進行分析與排除。由于監(jiān)測環(huán)境對檢測的影響程度較大，為此，在進行有限元模型構(gòu)建的同時需不斷關(guān)注隧道洞口的路面，清理與實時監(jiān)測無關(guān)的記錄數(shù)據(jù)。

在不同的施工環(huán)境中，不同的有限元位置模型具有較強的操作能力，驗證有限元模型的操作可靠性，并根據(jù)可靠性參數(shù)判斷整體監(jiān)測的結(jié)果數(shù)據(jù)。由此，實現(xiàn)整體模型構(gòu)建研究。

3 實驗與研究

經(jīng)過對以上模型建立研究，對構(gòu)建的監(jiān)測模型進行了性能檢驗，并設(shè)置對比實驗，在相同的實驗環(huán)境下對比不同監(jiān)測模型的監(jiān)測效果。

本文實驗環(huán)境隧道全長為3 750 m，主洞長度為1 800 m，隧道所在地山脊高度為3 000 m。主洞選用上下洞口形式，減少周圍地形對洞口的壓力，消除邊界效應(yīng)的影響，并根據(jù)不同的洞口形狀進行洞口模型調(diào)節(jié)，將洞口的形狀模型數(shù)據(jù)編輯到參數(shù)整合信息庫中，等待后續(xù)實驗研究的處理，同時對巖石的安全性系數(shù)進行監(jiān)測，總結(jié)巖石完整性與巖石質(zhì)量間的關(guān)系，設(shè)置關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 巖石完整性與巖石質(zhì)量關(guān)系圖

針對相關(guān)性較強的隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集要求，將符合采集要求的數(shù)據(jù)全部錄入過濾系統(tǒng)中，首先經(jīng)過系統(tǒng)的初始過濾，在濾除與操作無關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，調(diào)整此時的洞口檢驗裝置，將攝像頭裝置安裝在距離洞口地面5 m處，以監(jiān)測洞口為中心，周圍監(jiān)測點連線為半徑，劃定監(jiān)測范圍，并控制監(jiān)測范圍內(nèi)部的隧道數(shù)據(jù)，將隧道的整體信息全部收集至監(jiān)測空間中，等待監(jiān)測操作的開啟。獲取監(jiān)測的結(jié)果信息，并根據(jù)取得的信息進行實驗對比操作，檢驗不同模型收集信息的誤差率，構(gòu)建誤差率對比表如表1～3所示。

表1 模型數(shù)據(jù)接收誤差率表

表2 基于數(shù)值模擬分析的模型數(shù)據(jù)接收誤差率表

表3 傳統(tǒng)基于巖石分級的模型數(shù)據(jù)接收誤差率表

由表1～3可知，本文高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測模型的數(shù)據(jù)接收誤差率均小于其他兩種傳統(tǒng)模型的誤差率。該結(jié)果表明，本文模型具有良好的數(shù)據(jù)接收能力，能夠精準掌控洞口偏壓段的基礎(chǔ)信息，便于后續(xù)研究操作。由于本文模型在構(gòu)建的過程中對于洞口的基礎(chǔ)施工狀態(tài)進行了較為細致的解析，并根據(jù)施工狀態(tài)判斷洞口所處的基礎(chǔ)狀況，按照洞口的信息圖像收放裝置監(jiān)測偏壓段的基礎(chǔ)信息，提升了數(shù)據(jù)收集的精準程度，并完善了內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的流程，進一步增強了整體模型的初始數(shù)據(jù)收集能力。

在完成首次實驗對比后，利用構(gòu)建的模型信息進行二次實驗研究，對比各模型的監(jiān)測準確度。

選用相同的公路路段，在公路周圍標記模型的存放位置，并加強對路段的障礙清理操作，執(zhí)行相關(guān)的清除指令。同時，掃描周邊區(qū)域的地理信息，排除影響性較大的洞口干擾因素，對監(jiān)測的畫面進行掃描，直至獲取清晰的圖像，并根據(jù)獲取的圖像信息，整理模型監(jiān)測的精準度。設(shè)置精準度結(jié)果對比圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測精準度對比曲線圖

由圖7可知，本文高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測模型的監(jiān)測精準度均高于其他傳統(tǒng)監(jiān)測模型。造成此種差異的主要原因在于本文對于有限元模型的構(gòu)建流程較為集中，且分析了不同條件下的模型構(gòu)建基礎(chǔ)狀況，并針對不同的模型適應(yīng)角度展開研究。根據(jù)獲取的模型構(gòu)建數(shù)據(jù)，整理監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)，并按照相應(yīng)的模型處理方式加強對監(jiān)測模型的裝置管理力度，具有良好的數(shù)據(jù)存儲功能，能夠在復(fù)雜的地理環(huán)境中使用，可靠性較強，應(yīng)用范圍廣泛，模型的匹配度較高，由此，其監(jiān)測的精準程度較高。

綜上所述，本文高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測模型具有較強的可操作性，能夠在不同的環(huán)境下進行監(jiān)測，進一步增強了整體模型的監(jiān)測性能，具有較為廣闊的發(fā)展空間。

4 結(jié)語

綜上所述，本文高速公路偏壓隧道洞口偏壓段實時監(jiān)測模型具有良好的監(jiān)測效果，能夠在不同的隧道洞口進行實時監(jiān)測，在完善監(jiān)測流程的同時縮減監(jiān)測所需時間，提高整體監(jiān)測的效率，可靠性較強，具有更加廣闊的發(fā)展空間。