駱禹錦，李學(xué)軍，2，曾開華，李漢龍，趙江倩

(1.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.貴陽市南明區(qū)水務(wù)管理局，貴州 貴陽 550002)

隨著國內(nèi)隧道工程建設(shè)的發(fā)展，二十一世紀(jì)地下工程和隧道工程開始進(jìn)入興建的黃金期，鐵路、公路、地鐵隧道、水利水電隧道都將進(jìn)入高峰期。關(guān)于公路隧道數(shù)值模擬與現(xiàn)場施工監(jiān)測，劉明才[1]利用數(shù)值模擬對大斷面小凈距隧道進(jìn)行施工影響分析。吳波[2]等在上軟下硬底層隧道方面用數(shù)值模擬解決施工中的難題。丁智[3]等通過模擬應(yīng)力變化對錨桿受力影響因素進(jìn)行研究。Wang[4]等對淺埋非圓形隧道的應(yīng)力分布進(jìn)行探討。Gao[5]等運用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合的方法對軟巖巷道的支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化。岳向紅[6]等對隧道進(jìn)行了拱頂下沉等項目的監(jiān)測。Ebrahim Ghotbi Ravandi[7]等對非靜水應(yīng)力場中圓形、D形和改進(jìn)型馬蹄形隧道洞壁位移預(yù)測。王志偉[8]等認(rèn)為公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究對保證安全、暢通運行起到很大作用。申玉生[9]等對隧道施工階段圍巖數(shù)值模擬計算，指出了施工中圍巖應(yīng)力的危險范圍、圍巖支護(hù)和監(jiān)控量測的關(guān)鍵部位。佘健[10]等將數(shù)值模擬計算與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，得出小凈距盾構(gòu)隧道的應(yīng)力分布規(guī)律。方剛[11]等將變截面隧道施工數(shù)值模擬計算中隧道圍巖彈塑性應(yīng)力、變形特性與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析，表明數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合度較高。這些研究成果使得公路隧道施工技術(shù)有了長足發(fā)展，但是現(xiàn)有的研究認(rèn)為圍巖位移變形研究大多是針對嚴(yán)格按照繞軸對稱條件而建立，經(jīng)典隧道收斂約束法針對的是嚴(yán)格繞軸對稱開挖平面應(yīng)變模型，這要求隧道的斷面形狀、所受載荷均是嚴(yán)格繞軸對稱的，即只有圓形隧道受均勻地應(yīng)力作用才是其研究對象，可以獲得圍巖彈塑性應(yīng)力變形的理論解，這對實際兩向不等地應(yīng)力環(huán)境或直墻拱形隧道明顯不適用。而馬蹄形隧道周邊由4個圓弧組成：洞頂為半圓拱，兩側(cè)接曲率半徑較大的邊拱，洞底為向上仰的底拱，邊拱與底拱的連接處用圓弧修圓，其斷面決定該隧道為馬蹄形隧道。故馬蹄形隧道并非為嚴(yán)格繞軸對稱開挖平面應(yīng)變模型，是典型的非繞軸對稱隧道，基于此，本文采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析的方法，對馬蹄形隧道洞壁位移的影響因素進(jìn)行分析。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 項目概述

社官壩隧道位于江西省贛州市龍南縣與全南縣境內(nèi)，是一條上下分離的四車道公路隧道，左線隧道起訖樁號為ZK115+510～ZK115+670，洞長1.395 km，左線隧道進(jìn)口為直線段，隧道出口在半徑為1 320 m的左偏圓曲線上，縱坡1.5%～-0.769%，隧道埋深15～160 m；右線隧道起訖樁號為YK115+549～YK115+729，洞長1.378 km，右線隧道進(jìn)口為直線段，出口在半徑為1 350 m的左偏圓曲線上，縱向坡度為1.3%～-0.5%。整個隧道設(shè)計分離式結(jié)構(gòu)。主洞及緊急停車區(qū)襯砌采用結(jié)構(gòu)承載能力較好的曲墻式馬蹄形斷面。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道進(jìn)口和出口地表坡度較大，有局部的偏壓現(xiàn)象出現(xiàn)。本工程巖層淺層主要為松散狀粉質(zhì)粘土，下伏基巖主要為層狀結(jié)構(gòu)強風(fēng)化和中風(fēng)化千枚巖。根據(jù)該隧道的巖土工程調(diào)查報告，V級圍巖長度約627 m，占整個隧道44.9%；IV級圍巖長度有530 m左右，占整個隧道38.0%；Ⅲ級圍巖長度有238 m左右，占整個隧道17.1%。進(jìn)口端基巖為強中風(fēng)化或中風(fēng)化千枚巖，巖層為層狀千枚巖結(jié)構(gòu)。出口端洞口巖層強度偏低，隧道出口地形有偏壓情況。隧道洞身巖層為中風(fēng)化層狀千枚巖。整個隧道洞身共有4條裂隙帶橫穿，且都與隧洞以較大的角度相交，對隧洞圍巖穩(wěn)定性存在一定影響。

1.3 巖層與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)社官壩隧道實際工程地質(zhì)，強風(fēng)化千枚巖和中風(fēng)化千枚巖巖層采用廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則本構(gòu)關(guān)系模擬，初次襯砌支護(hù)采用殼單元模擬，二次襯砌支護(hù)采用彈性本構(gòu)關(guān)系模擬。巖層與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。

表1 巖層與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 隧道洞壁位移數(shù)值模擬

該馬蹄形隧道施工數(shù)值模擬運用廣義Hoek-Brown本構(gòu)關(guān)系模擬，以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，研究不同地表坡度、不同隧道埋深和不同圍巖等級時隧道開挖過程中隧道圍巖的位移變化規(guī)律。采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值分析模型的建立。對所選隧道斷面拱頂、拱肩、拱腳等特征位置進(jìn)行位移監(jiān)測，隧道特征位置分布示意圖如圖1所示，分析不同地表坡角、不同隧道埋深和不同圍巖等級對圖中特征位置測線收斂位移的影響。

2.1 FLAC3D數(shù)值分析模型的建立

2.1.1 斷面選取

馬蹄形隧道數(shù)值模擬以馬蹄形隧道作為模擬對象，所選馬蹄形斷面隧道毛洞跨度為15.1 m，洞高9.05 m，地面坡度為20°，隧道埋深為20～160 m。

2.1.2 模擬步驟

本文數(shù)值模擬采用分步開挖、分步支護(hù)模擬隧道施工過程，具體建模分析順序為：通過FLAC3D內(nèi)置基本形狀網(wǎng)格建立網(wǎng)格模型→定義模型邊界條件→材料賦值→分步開挖→分步襯砌→賦予襯砌材料參數(shù)→布置位移監(jiān)測點→運行求解→對監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)位移云圖分析。

2.2 模擬位移云圖分析

以地表坡角15°為例，通過上述步驟得到隧道水平方向位移云圖如圖2所示。

圖1 位移監(jiān)測特征點

圖2 數(shù)值模擬隧道水平方向位移云圖

由圖2可知，特征點1與其對稱位置特征點3位移變化情況不同，即拱肩處對稱位置位移變化情況不同；特征點4與其對稱位置特征點5位移變化情況不同，即拱腳處對稱位置位移變化情況不同。故可初步得出馬蹄形隧道洞壁對稱位置位移變化情況不同。

3 隧道洞壁位移現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 拱頂沉降監(jiān)測

根據(jù)社官壩隧道現(xiàn)場施工監(jiān)測，對所布設(shè)的監(jiān)測斷面及時進(jìn)行了監(jiān)測，取樁號ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540斷面現(xiàn)場實測拱頂沉降作為分析對象?，F(xiàn)場實測拱頂累計沉降與時間關(guān)系曲線，見圖3所示。

由圖3可以看出，ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540斷面現(xiàn)場實測拱頂累計沉降位移隨時間天數(shù)增加逐漸增加，隧道拱頂累計沉降位移在開挖后35 d左右，趨于穩(wěn)定。

3.2 周邊收斂位移監(jiān)測

根據(jù)社官壩隧道現(xiàn)場施工監(jiān)測，對所布設(shè)的監(jiān)測斷面及時進(jìn)行了監(jiān)測，取樁號ZK115+530斷面1-2，2-3，1-3，2-4，2-5，4-5測線實測收斂位移作為分析對象，ZK115+530斷面各測線實測收斂位移曲線如圖4所示。

圖3 實測累計拱頂沉降與時間關(guān)系曲線 圖4 實測累計周邊收斂位移與時間關(guān)系曲線

由圖4可知，ZK115+530斷面對稱測線的收斂位移趨于穩(wěn)定值不等，說明隧道在對稱位置的測線收斂位移與以往理論認(rèn)為的對稱位置的收斂位移一致相悖，因此隧道工程支護(hù)設(shè)計按照軸對稱情況下經(jīng)典收斂約束法進(jìn)行設(shè)計明顯與實際不符。

4 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬對比分析

4.1 拱頂沉降對比

根據(jù)社官壩隧道現(xiàn)場施工監(jiān)測，按照公路隧道施工規(guī)范要求，本小節(jié)選取樁號ZK115+530斷面作為分析對象，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析。數(shù)值模擬選取社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件，以IV級圍巖，地表坡角20 °，隧道埋深為20 m為條件建立數(shù)值模型分析，采用history命令監(jiān)測ZK115+530斷面拱頂沉降。斷面ZK115+530實測拱頂沉降和數(shù)值模擬拱頂沉降曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，ZK115+530斷面數(shù)值模擬的拱頂沉降與現(xiàn)場實測的拱頂沉降隨開挖后間隔時間的增加隧道拱頂下沉趨勢一致，但數(shù)值模擬的拱頂沉降比現(xiàn)場實測的拱頂沉降大；由于數(shù)值模擬假定的圍巖力學(xué)參數(shù)與實際圍巖力學(xué)參數(shù)存在一定差異，隧道拱頂沉降位移增加，導(dǎo)致實測拱頂沉降與數(shù)值模擬拱頂沉降值產(chǎn)生差異，但兩者變化趨勢一致?，F(xiàn)場實測拱頂沉降下沉至10.5 mm時就幾乎達(dá)到穩(wěn)定，而數(shù)值模擬拱頂沉降下沉至12.3 mm才達(dá)到穩(wěn)定。

4.2 周邊收斂位移對比

按照公路隧道施工規(guī)范要求，根據(jù)社官壩隧道現(xiàn)場施工監(jiān)測，本小節(jié)選取樁號ZK115+530斷面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5測線實測收斂位移作為分析對象，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析。數(shù)值模擬選取社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件，以IV級圍巖，地表坡角20°，隧道埋深為20m為條件建立數(shù)值模型分析，采用history命令監(jiān)測ZK115+530斷面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5測線收斂位移。ZK115+530斷面數(shù)值模擬收斂位移曲線如圖6所示。

由圖4和圖6中可以看出，ZK115+530斷面1-2測線、2-3測線、2-4測線、2-5測線數(shù)值模擬收斂位移與現(xiàn)場實測收斂位移趨勢一致，但數(shù)值模擬收斂位移略小于實測收斂位移；1-3測線和4-5測線數(shù)值模擬收斂位移與實測收斂位移差別較大，數(shù)值模擬收斂位移偏小。

5 洞壁位移影響因素分析

5.1 地表坡角

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件，研究地表坡角對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。選取埋深為20m時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同地表坡角對隧道施工中洞壁位移的影響。通過FLAC3D軟件history命令監(jiān)測不同地表坡角隧道斷面測線的收斂位移，不同地表坡角隧道測線位移與計算步數(shù)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同地表坡角隧道測線位移曲線

由圖7中可以看出，隧道測線位移隨地表坡角的增加，而逐漸增加。當(dāng)?shù)乇砥陆堑扔?°時，隧道測線位移隨計算步數(shù)增加幾乎沒有變化；當(dāng)?shù)乇砥陆堑扔?5°時，隧道測線位移隨計算步數(shù)增加，而逐漸增加，在S10步時，位移出現(xiàn)驟降點，在S45步時，位移逐步達(dá)到穩(wěn)定，最大測線位移為9mm。經(jīng)計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且地表坡角對水平位移的影響較小。

5.2 埋深

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件，分析隧道埋深對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。

選取地表坡角為20°時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同埋深對隧道施工洞壁位移的作用效應(yīng)。通過FLAC3D軟件history命令監(jiān)測不同埋深隧道斷面測線的收斂位移，不同埋深隧道各測線位移與計算步數(shù)的關(guān)系見圖8所示。

圖8 不同埋深隧道測線位移曲線

由圖8中可以看出，隧道測線位移隨埋深的加大，而逐步增加。當(dāng)埋深等于5 m時，隧道測線位移隨計算步數(shù)增加而逐漸增加，在S10步時，位移出現(xiàn)驟降，最大測線位移為3 mm；當(dāng)埋深等于40 m時，測線位移隨計算步數(shù)增加而逐漸增加，在S10步時，位移出現(xiàn)驟降，在S45步后時，測線位移逐步達(dá)到穩(wěn)定，最大測線位移為18 mm。由此可見，埋深在40 m范圍內(nèi)隨隧道埋深的增加，隧道拱軸線兩側(cè)荷載增加，隧道洞壁位移也增加，當(dāng)埋深繼續(xù)增加時，洞壁位移趨于穩(wěn)定極限值。經(jīng)計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且埋深較淺時對水平位移的影響較大。

5.3 圍巖等級

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件，分析圍巖等級對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。

選取地表坡角為20°，埋深為20m時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同圍巖地質(zhì)強度指標(biāo)值(GSI)對隧道施工洞壁位移的作用效應(yīng)。通過FLAC3D軟件history命令監(jiān)測不同圍巖等級隧道斷面測線的收斂位移，不同圍巖等級隧道測線位移與計算步數(shù)的關(guān)系見圖9所示。

由圖9中可以看出，隧道測線位移隨GSI的減小，而逐步增加。當(dāng)GSI為20時，測線位移隨計算步數(shù)增加，而逐漸增加，在S10步時，位移出現(xiàn)驟降，最大測線位移為9.86mm；當(dāng)GSI為50時，測線位移隨計算步數(shù)增加，而逐漸增加，無明顯驟降點，測線位移逐步達(dá)到穩(wěn)定，最大測線位移為2.86mm。由此可見，隨隧道圍巖等級的增加，圍巖性狀發(fā)生改變，GSI發(fā)生改變，圍巖強度逐漸減小，隧道洞壁位移也隨之增加。經(jīng)計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且圍巖等級對水平位移的影響較大。

6 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場洞內(nèi)收斂位移監(jiān)測，并使用FLAC3D軟件建立以隧道ZK115+520～ZK115+540區(qū)段斷面實際工程地質(zhì)條件的數(shù)值模型，研究地表坡度、埋深、圍巖等級對馬蹄形隧道洞壁位移的影響，得出以下結(jié)論：

(1)以贛州社官壩隧道工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析，在出現(xiàn)洞壁對稱位置位移變化情況不同后，數(shù)值模擬洞壁位移趨勢與實測一致，說明數(shù)值模擬充分考慮現(xiàn)場實際狀態(tài)有一定借鑒價值。

(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，隧道拱頂沉降各測線水平位移在其不同對稱點位置上收斂位移程度不同，但地表坡角對水平位移的影響較小，而埋深、圍巖等級對水平位移的影響較大。

(3)關(guān)于埋深對于洞壁位移的影響，埋深較小時，隧道拱頂、拱肩、拱腳位置出現(xiàn)洞壁對稱位置位移變化情況不同更明顯；埋深在40 m范圍內(nèi)隨著埋深的增加，對稱位置收斂位移出現(xiàn)偏差，且偏差隨埋深增加而減小。

(4)關(guān)于圍巖等級對于洞壁位移的影響，隨隧道圍巖等級的增加，隧道圍巖強度減小，隧道收斂位移增加，隨圍巖等級增加，隧道拱頂、拱肩、拱腳位置出現(xiàn)洞壁對稱位置位移變化情況出現(xiàn)偏差明顯。

(5)綜合上述3種影響因素分析，在支護(hù)設(shè)計時，對隧道拱肩和拱腳位置偏壓圍巖支護(hù)設(shè)計及施工加強考慮。