高曼

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400）

新奧法技術(shù)水平持續(xù)提高，已逐步成為隧道工程領(lǐng)域的支撐技術(shù)之一，施工期間做好監(jiān)控量測(cè)工作有利于推動(dòng)作業(yè)的開展。以何種方式準(zhǔn)確掌握信息并做出反饋，是新奧法施工期間應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，要求所得的監(jiān)控量測(cè)信息具有可靠性，以便用于判斷圍巖的質(zhì)量情況，并給參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。此外，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐作用下，基于隧道的數(shù)值模擬分析工作也在大范圍展開，所得結(jié)果具有參考意義，將其與監(jiān)控量測(cè)綜合應(yīng)用后，可提高隧道施工的靈活性，達(dá)到保質(zhì)量、提效率的效果。

一、工程背景

惠州至清遠(yuǎn)高速公路位于廣東省中部地區(qū)，是廣東高速公路網(wǎng)規(guī)劃主骨架汕頭至湛江高速公路的重要組成部分。項(xiàng)目途經(jīng)惠州市的博羅、龍門、廣州市的從化、清遠(yuǎn)市的佛崗、清新、清城等市縣區(qū)，是珠三角地區(qū)與粵北山區(qū)之間過(guò)渡地帶的東西向重要高速公路通道，不僅與廣東高速公路網(wǎng)中的仁深、大廣、京珠、廣樂(lè)、清連等高速公路連接，也連接國(guó)道106線等重要道路，共同構(gòu)成廣東省中部地區(qū)連接?xùn)|西、貫穿南北的公路骨架網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)目的建設(shè)可完善廣東省高速公路網(wǎng)絡(luò)，加大珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)對(duì)廣東中部和東西兩翼的經(jīng)濟(jì)輻射能力，對(duì)促進(jìn)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

本文圍繞項(xiàng)目TJ11合同段的高山頂隧道工程展開探討。該隧道屬于惠清TJ11標(biāo)控制性工程之一，左洞1527m，右洞1521m，長(zhǎng)度約1.5km。隧道施工過(guò)程中，采用FLAC 3D軟件展開模擬分析，根據(jù)所得結(jié)果探討圍巖在隧道開挖期間隨時(shí)間延長(zhǎng)而表現(xiàn)出的基本特性，綜合參考現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比分析數(shù)據(jù)，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定程度做出準(zhǔn)確的判斷，并以此為依據(jù)采取動(dòng)態(tài)化控制措施，減少安全隱患，助力隧道建設(shè)工作順利開展。

二、隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要性

受洞室開挖的擾動(dòng)影響，巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)不復(fù)存在，圍巖應(yīng)力較前期發(fā)生變化，轉(zhuǎn)至塑性狀態(tài)。此時(shí)，塑性區(qū)的覆蓋范圍擴(kuò)寬，洞壁伴有較明顯的位移變化。此外，部分強(qiáng)度偏低的巖石自穩(wěn)能力不足，所受應(yīng)力超過(guò)自身強(qiáng)度極限后受損，形成裂縫并脫落。為保證圍巖和洞室的穩(wěn)定性，可設(shè)置支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)阻止塑性區(qū)的擴(kuò)展，減小圍巖位移量，使巖體維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足承載力和剛度的雙重要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是順利施工的關(guān)鍵前提。

在分析初期支護(hù)穩(wěn)定性時(shí)，主要考慮的要點(diǎn)包括隧道周邊位移速率幾乎為零，允許存在輕微的位移現(xiàn)象但不可侵入規(guī)定凈空；支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)維持完整的狀態(tài)，不可因裂縫或局部缺陷而導(dǎo)致其失去穩(wěn)定性，也不可出現(xiàn)坍塌或傾覆問(wèn)題。在針對(duì)圍巖-支護(hù)體系的分析中，應(yīng)當(dāng)按照經(jīng)驗(yàn)判斷→理論分析→數(shù)值計(jì)算的流程有序推進(jìn)，提高結(jié)果的可靠性，改善施工效果。

三、隧道圍巖-支護(hù)體系穩(wěn)定性的主要判斷方法

隧道圍巖-支護(hù)體系穩(wěn)定性的判斷方法多樣，例如相對(duì)位移、位移時(shí)間曲線等方法均較為直觀。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)際監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，可創(chuàng)建位移時(shí)間曲線用于反映圍巖和支護(hù)力學(xué)行為的特點(diǎn)。在此次關(guān)于分離式隧道的分析中，則以位移和位移變化速率為關(guān)鍵指標(biāo)，再綜合考慮前期的隧道地質(zhì)特征等相關(guān)資料，對(duì)圍巖-支護(hù)體系的穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確判斷。

四、數(shù)值模型

（一）數(shù)值模型的建立

相比于隧道徑向方向的尺寸，軸線方向的尺寸較大。根據(jù)該特點(diǎn)，沿隧道軸線方向取單位寬度，將其視為平面應(yīng)變問(wèn)題對(duì)待。計(jì)算區(qū)域以洞徑的3倍～5倍較為合適，在分析的模型兩邊均取40m，下部至隧道底部取30m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件可知，該截面地表無(wú)明顯的起伏現(xiàn)象，其對(duì)隧道應(yīng)力分布狀態(tài)所帶來(lái)的影響微乎其微，因此按水平地表處理。模型左右邊界為水平約束，上邊界為自由地表，下邊界為固定約束。

模型采用彈塑性本構(gòu)模型，將摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則作為破壞準(zhǔn)則。

（二）參數(shù)的選擇

V級(jí)圍巖和上部強(qiáng)風(fēng)化層在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)后，匯總數(shù)據(jù)并分析確定物理力學(xué)參數(shù)，初期支護(hù)采用各向同性彈性模型和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)節(jié)理巖體的特性，錨桿的作用在于連接破碎圍巖，使其恢復(fù)完整有利于提高圍巖的綜合性能，提升剛度和抗剪強(qiáng)度。

五、開挖的模擬與分析

（一）開挖模擬

圖1 隧道開挖工序

按先左洞后右洞，上下斷面的順序開挖，施作初次襯砌作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。具體施工流程為：組織左洞上半部的開挖作業(yè)，采取支護(hù)措施，維持其穩(wěn)定性；組織左洞下半部的開挖作業(yè)，采取支護(hù)措施，維持其穩(wěn)定性；組織右洞上半部的開挖作業(yè)，采取支護(hù)措施，維持其穩(wěn)定性；組織右洞下半部的開挖作業(yè)，采取支護(hù)措施，維持其穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬期間，在左側(cè)墻、右側(cè)墻及拱頂三處布設(shè)測(cè)點(diǎn)，以便在開挖期間展開對(duì)左洞周邊位移量的監(jiān)測(cè)工作，使用所得結(jié)果作為綜合分析的參考依據(jù)，具體如圖1所示。

（二）模擬計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算可知，在完成開挖支護(hù)作業(yè)后拱腰至仰拱兩側(cè)形成塑性區(qū)，覆蓋范圍較大，影響較明顯。此外，創(chuàng)建隧道的位移矢量圖可以發(fā)現(xiàn)左右洞周邊圍巖具有相類似的變形特點(diǎn)，均有向洞內(nèi)發(fā)展的趨勢(shì)。

水平收斂集中發(fā)生于邊墻周邊區(qū)域，左洞最大值達(dá)到3.77mm，兩邊墻則達(dá)到1.81mm和1.96mm。相比之下，以拱底處的沉降最為明顯，為5.19mm；隆起現(xiàn)象集中于仰拱處，該區(qū)域的最大量達(dá)到4.89mm。

六、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及分析

（一）監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，選取左洞K151+700斷面，重點(diǎn)對(duì)該處展開監(jiān)控量測(cè)工作，測(cè)點(diǎn)總量為4個(gè)，具體分布在拱頂、右拱腰、左右拱腳。在展開為期1個(gè)月的觀測(cè)后，匯總期間產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，制得位移-時(shí)間曲線，如圖2所示。

（二）結(jié)果分析

本文重點(diǎn)分析拱頂沉降結(jié)果。

圖2 隧道周邊圍巖位移-時(shí)間散點(diǎn)圖

回歸分析。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)后取得的數(shù)據(jù)具有離散的特性，不可避免存在偶然誤差。為簡(jiǎn)化計(jì)算，需重點(diǎn)考慮位移u和時(shí)間f兩項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，生成u=f（t）函數(shù)，以此為工具實(shí)現(xiàn)對(duì)位移-時(shí)間散點(diǎn)圖的擬合操作。由于測(cè)量存在偶然誤差，加之施工期間的擾動(dòng)性影響，因此形成的散點(diǎn)圖存在不規(guī)則變化的特點(diǎn)。在時(shí)間t延長(zhǎng)之下，接觸壓力u有增加的變化趨勢(shì)，且各階段的幅度有所差異，初期增長(zhǎng)速度較快，后續(xù)長(zhǎng)幅較小。經(jīng)回歸分析后可知相關(guān)系數(shù)R=99.05%，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的精度要求展開對(duì)比后，可知其達(dá)標(biāo)。由此確定，拱頂?shù)淖罱K下沉量為5.167mm。

對(duì)比分析。將確定的數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)整合至相同的坐標(biāo)系內(nèi)，由此生成位移-時(shí)間曲線對(duì)比圖。

對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果與量測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者具有較顯著的相似性。經(jīng)隧道開挖作業(yè)后，存在較為明顯的拱頂沉降現(xiàn)象；在采取上臺(tái)階支護(hù)措施后，該問(wèn)題得到緩解，后續(xù)施工期間拱頂沉降速度依然有變化的趨勢(shì)，總體呈波浪狀；施工作業(yè)均完成后，由于已成型的初支可產(chǎn)生支護(hù)阻力，因此逐步恢復(fù)至穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)位移量可知，相比于實(shí)測(cè)數(shù)值模擬結(jié)果略大，該現(xiàn)象的出現(xiàn)與數(shù)值模擬期間未兼顧二次襯砌結(jié)構(gòu)的作用有關(guān)。對(duì)于相對(duì)位移量，在經(jīng)過(guò)隧道開挖作業(yè)后，在拱腰和邊墻兩個(gè)區(qū)域形成較明顯的塑性區(qū)，但無(wú)明顯的相對(duì)收斂現(xiàn)象，最大為0.07%，相比于隧道周邊允許相對(duì)位移更小。

綜上所述，隧道的安全儲(chǔ)備較高，創(chuàng)建的圍巖-支護(hù)體系在隧道施工期間可維持穩(wěn)定狀態(tài)；支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)偏向保守，不利于降低成本，可適當(dāng)弱化支護(hù)參數(shù)，并適度推遲襯砌支護(hù)時(shí)間，有利于釋放圍巖的松動(dòng)壓力。需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)值模擬均建立在理想狀態(tài)下，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，不乏有內(nèi)外部因素的干擾，因此只要將兩項(xiàng)數(shù)據(jù)存在的細(xì)微差別控制在合理范圍內(nèi)，該問(wèn)題可以忽略不計(jì)。

七、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)后，得知圍巖-支護(hù)體系的穩(wěn)定性較佳。有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，隧道施工期間存在塑性區(qū)，集中在仰拱兩側(cè)和邊墻周邊，拱底處存在最大沉降量，達(dá)5.19mm；仰拱處存在最大隆起量，為4.89mm。

以所得的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，展開非線性回歸分析，由此確定位移隨時(shí)間推移的具體變化特點(diǎn)，再與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，得知兩者具有高度的相似性，圍巖-支護(hù)體系可維持穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)模擬有限差分?jǐn)?shù)值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，是隧道工程施工中的關(guān)鍵分析模式，可較為準(zhǔn)確地判斷隧道圍巖的實(shí)際情況，具有推廣價(jià)值。