張運良，王昌勝，路 平，李鳳翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

小凈距隧道施工監(jiān)控量測與數(shù)值分析＊

張運良，王昌勝，路 平，李鳳翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

針對小凈距隧道凈距小和出口段圍巖較差的特點，在進洞施工過程中，嚴格按照新奧法對其進行監(jiān)控量測，對洞內(nèi)掌子面、支護狀況、拱頂沉降、水平收斂和地表沉降等項目進行了監(jiān)測，并對量測數(shù)據(jù)進行分析;同時建立數(shù)值計算模型，對施工過程進行模擬分析。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比分析，得出該隧道圍巖變形規(guī)律。此結(jié)果對變更施工措施和安全施工有一定的指導(dǎo)意義。

小凈距隧道;監(jiān)控量測;數(shù)值分析

監(jiān)控量測技術(shù)是現(xiàn)代隧道新奧法施工的重要組成部分，也是信息化施工的重要組成內(nèi)容之一，通過監(jiān)控了解圍巖與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，了解圍巖的變形動態(tài)，確保隧道的安全施工［1］。小凈距隧道是指隧道間的中間巖柱厚度小于規(guī)范建議值的特殊隧道布置形式［2］，小凈距隧道的出口段，既有出口段圍巖較差的特點，又具有小凈距隧道兩洞間距較近、中間巖柱薄弱、易失穩(wěn)等難點［3］。采用小凈距隧道不僅能很好地滿足特定地質(zhì)和地形條件、線橋隧銜接方式，而且有利于公路整體線形規(guī)劃和線形優(yōu)化，是現(xiàn)在許多山區(qū)隧道優(yōu)選方案［4］。但是小凈距隧道兩洞間距較近，中間巖柱較薄弱，易失穩(wěn)，因此對小凈距隧道出口段進行監(jiān)控量測有重要意義:(1)研究地表沉降規(guī)律，及時掌握沉降，預(yù)見事故和險情，對比小凈距隧道先后行洞的地表變化情況，地表穩(wěn)定需要的時間;(2)研究洞口斷面周邊收斂和拱頂下沉的變化規(guī)律，及時掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)的工作動態(tài)，判斷中間巖柱的移動規(guī)律，為支護提供依據(jù)，了解圍巖穩(wěn)定需要的時間，同時驗證開挖方法的合理性，為及時施作二襯提供合理建議。

以湖南省炎汝高速公路八面山隧道為例，通過對其出口段進行監(jiān)測，并對實測數(shù)據(jù)進行分析，及時預(yù)報了險情。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比分析，得出該隧道圍巖變形規(guī)律，對改善隧道施工方法，確保施工安全有重要意義和實用價值。

1 工程概況

八面山隧道出口位于湖南省炎陵～汝城高速公路14標段。八面山隧道出口左線起止樁號ZK56+160～ZK58+520，長2 360 m;右線起止樁號YK56+160～YK58+505，長2 345 m。隧道隧址屬于構(gòu)造剝蝕高中山區(qū)地貌單元，地形切割強烈，山坡陡峻，局部為陡崖，山頂圓錐形，山脊線呈波狀起伏，多呈不規(guī)則放射狀延伸。隧道出口端左右洞測設(shè)線間距約為16.9 m，為小凈距隧道。隧道出口位于斜坡下部，覆蓋層薄，地質(zhì)條件較差，主要由粉質(zhì)黏土和強風化變質(zhì)砂巖組成，巖體較破碎，為軟巖。

2 隧道施工監(jiān)測

2.1 地質(zhì)和支護狀況觀察

2010年7月25日，八面山隧道出口左線己進洞11 m，右洞此時也開始進洞。洞口己采用φ108大管棚進行超前支護。施工單位根據(jù)現(xiàn)場情況，采用上下臺階法進行施工。進洞后即對初期支護、掌子面圍巖以及邊仰坡進行了詳細的觀察和記錄。掌子面圍巖基本為粉質(zhì)黏土，巖體特別破碎，含水量大，無自穩(wěn)能力。

2.2 地表沉降量測

八面山隧道出口位于淺埋、軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短的圍巖中，施工時極易發(fā)生冒頂、塌方，嚴重時引起地表下沉。根據(jù)現(xiàn)場情況，分別在出口ZK58+498、YK58+484埋設(shè)了2個地表沉降觀測斷面。在每個斷面上布置7個觀測點，各測點布置如圖1所示。

圖1 地表沉降觀測點布置示意圖Fig.1 The arrangement for observation point of ground surface subsidence

2.3 拱頂下沉、周邊收斂量測

拱頂沉降與周邊相對位移量測原則上設(shè)在同一斷面［5］，如圖2所示。A點為拱頂下沉量測點，其余為周邊位移測點，上臺階開挖時用測線2布置量測，下臺階開挖時采用測線1布置量測，且小凈距隧道兩洞都要同時進行監(jiān)測，測點盡量布置在同一個里程斷面上，便于準確地反映中間巖柱的移動情況。

圖2 拱頂沉降和周邊收斂測點布置圖Fig.2 The arrangement for observation point of vault settlement and horizontal convergence

3 量測結(jié)果分析

3.1 地表情況和洞內(nèi)圍巖觀察分析

八面山隧道出口在2010年7月18號進洞后，7月25號左洞上臺階已進尺11 m，右洞也開始進洞。雖然洞內(nèi)支護狀況良好，但地表各監(jiān)測點變化明顯，有個別監(jiān)測點連續(xù)3 d變化均超過5 mm/d，且仍在繼續(xù)增長。同時地表多處發(fā)現(xiàn)貫通裂縫，且裂縫寬度較大。由于是雨季，洞內(nèi)掌子面經(jīng)常滲水，造成掌子面圍巖易軟化，極不穩(wěn)定，同時覆蓋層厚度較小，易發(fā)生冒頂、塌方，嚴重時引起地表下沉。根據(jù)監(jiān)測情況，施工單位立即采取措施封閉掌子面，待一定時間穩(wěn)定后開挖下臺階及仰拱，使初期支護閉合成環(huán)共同受力，同時采取洞內(nèi)注漿措施加固圍巖;根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)指導(dǎo)，對邊仰坡及中間巖柱進行加固，更換進洞工法，將原來的上下臺階法改為環(huán)形開挖留核心土法。最終在監(jiān)測指導(dǎo)下順利進洞。

3.2 地表沉降結(jié)果分析

將八面山隧道左右洞出口段地表測點累計沉降監(jiān)測結(jié)果繪制成圖3～圖4所示曲線(圖中負號表示下沉或向內(nèi)收斂，下同)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析可知:

(1)開挖初期地表變化比較小，但在進洞后出現(xiàn)急劇下沉;

(2)左洞的變化曲線與右洞相似，說明一方開挖對另一方地表沉降有較大影響，特別是越靠近對方的測點變化越明顯;

(3)左右洞累計沉降值為各測點中點最大，說明隧道進洞時，正上方是最危險的地方，需要重點加強監(jiān)測;

(4)左右洞靠近中間巖柱正上方的測點累計沉降變化比較大，說明中間巖柱是較薄弱地帶，需要加強支護。

圖3 ZK58+498地表各測點累計沉降曲線圖Fig.3 The total surface subsidence of each observation point in ZK58+498

圖4 YK58+484地表各測點累計沉降曲線圖Fig.4 The total surface subsidence of each observation point in YK58+484

3.3 拱頂下沉和周邊收斂結(jié)果分析

通過對拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)測，能夠及時地了解隧道開挖過程中圍巖的變化情況，及時地反饋信息，指導(dǎo)施工。圖5～圖6是八面山隧道左右洞出口段ZK58+514，ZK58+509和YK58+498斷面的拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析可知:

(1)左右洞的拱頂沉降和周邊收斂變化曲線相似，在開挖過程中拱頂沉降和周邊收斂值急劇變化，待初期支護閉合后趨于緩慢變化，繼續(xù)向前開挖后，原閉合段又出現(xiàn)較大變化，等新開挖段初期支護閉合后，前閉合段才逐漸穩(wěn)定。分析原因，出口段山體推力較大，且出口段位于淺埋、軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短的圍巖中。因此需變換施工工法，將原來的上下臺階法更換為環(huán)形開挖留核心土法，且嚴格控制循環(huán)進尺，結(jié)合施工輔助措施，對洞內(nèi)圍巖進行注漿加固。

(2)左右洞是交替開挖，從圖中可以看出，左右洞在開挖過程中對對方有明顯影響，且左右洞拱頂沉降和周邊收斂值變化較大。左右洞拱頂累計沉降都超過10 cm，因此左右洞需加大預(yù)留沉降量。

(3)左右洞在進洞過程中，洞內(nèi)收斂是負增長，即向內(nèi)逐漸收縮。隧道兩邊不會移動，而中間巖柱較為薄弱有移動趨勢，因此需對中間巖柱進行加固。

圖5 左右洞拱頂累計沉降時程曲線Fig.5 Schedule curve for the total vault settlement of the tunnel

圖6 左右洞周邊累計收斂時程曲線Fig.6 Schedule curve for the total horizontal convergence of the tunnel

4 數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立計算模型，計算采用彈塑性模型、平面應(yīng)變單元進行模擬［6］。模型左右邊界設(shè)置水平約束，底部為豎直約束。具體計算模型如圖7所示。

施工采用環(huán)形開挖留核心土法，對位移變化進行分析時，主要考慮隧道拱頂最大位移和水平收斂位移。從數(shù)值模擬分析來看，拱頂最大位移為－9.81 cm(如圖8所示)，小于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果;水平方向位移主要集中在兩側(cè)邊墻，最大位移為－8.08 cm(如圖9所示)，和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相近。

圖7 隧道開挖模型Fig.7 Excavation model of the tunnel

(2)從拱頂沉降來看，數(shù)值模擬結(jié)果為－9.81 cm，實測數(shù)據(jù)為－15.42 cm，兩者有一定差異，這主要與模擬時所選取的材料參數(shù)及相關(guān)假設(shè)有關(guān)。雖然數(shù)值模擬所采用的參數(shù)均根據(jù)工程地質(zhì)勘測報告和相應(yīng)規(guī)范來選取，但還是與實際工程圍巖有較大差距，同時施工過程受到很多偶然因素影響。盡管如此，數(shù)值模擬結(jié)果比較近似地反映實際開挖過程中圍巖變形，得出的圍巖變化規(guī)律對改善隧道施工方法、提高工程質(zhì)量有重要的指導(dǎo)作用。

圖8 模型拱頂沉降分布云圖Fig.8 Distribution cloud for vault settlement

圖9 模型水平收斂分布云圖Fig.9 Distribution cloud for horizontal convergence

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道開挖時水平收斂變形最大的位置在拱肩，最終收斂量為－6.76 cm;在實際監(jiān)測中，水平收斂變形為－4.73 cm，兩種收斂結(jié)果都較小，相差不大，說明數(shù)值模擬結(jié)果可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

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Monitoring measurement technology and numerical analysis for neighborhood tunnel

ZHANG Yun －liang，WANG Chang-sheng，LU Ping，LI Feng-xiang

(School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

The monitoring measurement was carried out by strict New Austrian Tunneling Method because of smaller space and less quality of rock at the outlet section.The measurement included excavation surface inside the cave，supporting conditions，vault settlement，horizontal convergence and ground surface subsidence，and the measured data were analysed.Simultaneously，numerical calculation model was established in order to conduct construction process simulation.The surrounding rock deformation law was found by field monitoring and numerical simulation analysis.The result has certain guidance for changing construction methods and safety construction.

neighburhood tunnel;monitoring measurement;numerical analysis

U456.3

A

1672－7029(2011)06－0050－04

2011－10－15

張運良(1963－)，男，湖南湘潭人，副教授，從事隧道及地下工程研究和教學(xué)工作