李建偉 鄧江倫 代志坤

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.福建港城房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，福建 漳州 363200)

監(jiān)測(cè)技術(shù)在西施坡隧道中的應(yīng)用

李建偉1鄧江倫2代志坤1

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.福建港城房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，福建 漳州 363200)

以商洛市環(huán)城北路西施坡隧道為工程實(shí)例，介紹了隧道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)典型斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，并采用ANSYS有限元軟件，對(duì)隧道斷面的開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以更好地指導(dǎo)施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

公路隧道，監(jiān)控量測(cè)，回歸分析，數(shù)值計(jì)算

21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的時(shí)代，對(duì)地下空間領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)，具有極其重要的意義，“新奧法”原理也是目前隧道施工的主要理論基礎(chǔ)[1]。所謂“新奧法”施工，就是用巖體力學(xué)理論[2]，通過(guò)對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，采用新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，盡量利用圍巖自承能力而進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和施工的方法。其特點(diǎn)是在開(kāi)挖面附近及時(shí)施作密貼于圍巖的薄層柔性噴射混凝土和錨桿支護(hù)，以便控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放，在支護(hù)和圍巖的共同變形過(guò)程中，調(diào)整圍巖應(yīng)力而達(dá)到新的平衡，最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度和利用其自承能力[3,4]。

隧道的監(jiān)控量測(cè)是“新奧法”核心三要素之一，依照現(xiàn)場(chǎng)所取得的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)掌控隧道圍巖的變形情況。分析、檢驗(yàn)開(kāi)挖后隧道整體圍巖的穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)測(cè)隧道圍巖的變形趨勢(shì)，從而來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確定合理的二襯施作時(shí)間。也為今后相同地質(zhì)條件的隧道開(kāi)挖與支護(hù)，提供設(shè)計(jì)與施工依據(jù)[5]。

本文主要結(jié)合公路隧道工程實(shí)例，分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)。并根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件和參數(shù)，通過(guò)有限元來(lái)模擬隧道開(kāi)挖支護(hù)后的變形狀況，并和實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示雖然和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果有一些出入，但是相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，并且兩者的變形趨勢(shì)是一致的，因此可以說(shuō)明ANSYS可以成為指導(dǎo)隧道施工的輔助工具。

1 工程概況

西施坡隧道位于商洛市商州區(qū)北，為雙向4車(chē)道分離式中隧道，采用新奧法施工，設(shè)計(jì)行車(chē)速度60 km/h。隧道最大埋深線約86 m，最小約14 m。隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為第四系全新統(tǒng)耕土層、第四紀(jì)上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、砂卵石和第三系紫紅色砂巖、泥巖互層。隧道位于基巖低山丘陵區(qū)，穿越的地層主要為第三系泥巖、砂巖互層，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，褶皺、斷裂不發(fā)育，屬于低應(yīng)力區(qū)。

2 隧道監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法

根據(jù)周邊位移、拱頂下沉和地表下沉等必測(cè)項(xiàng)目最好布置在同一個(gè)斷面，其量測(cè)面間距和測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)該根據(jù)隧道埋深、圍巖級(jí)別、斷面大小、開(kāi)挖方法、支護(hù)形式等確定。隧道開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行圍巖、初期支護(hù)的周邊位移量測(cè)和拱頂下沉量測(cè)。當(dāng)?shù)乇碛薪ㄖ飼r(shí)，應(yīng)在建筑物周?chē)鲈O(shè)測(cè)點(diǎn)。地表下沉測(cè)量應(yīng)與洞內(nèi)拱頂下沉和周邊位移量測(cè)頻率相同，并應(yīng)符合以下規(guī)定：

地表下沉檢測(cè)范圍橫向應(yīng)延伸至隧道中線兩側(cè)(1～2)(b/2+h+h0)，縱向應(yīng)在掌子面前后(1～2)(h+h0)(b為隧道開(kāi)挖寬度;h為隧道開(kāi)挖高度;h0為隧道埋深)。測(cè)點(diǎn)間距宜為2 m～5 m，并根據(jù)地質(zhì)條件和環(huán)境調(diào)整。地表下沉檢測(cè)應(yīng)在隧道開(kāi)挖前開(kāi)始，到二次襯砌全部施工完畢，且下沉基本停止時(shí)為止。

商洛市環(huán)城北路工程西施坡隧道新奧法施工的要求，對(duì)隧道施工進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。必測(cè)項(xiàng)目為日常施工管理中必須進(jìn)行的量測(cè)，包括：拱頂沉降、周邊收斂和洞口淺埋段地表沉降監(jiān)測(cè)[6]。具體項(xiàng)目參見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)工作項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

2.2 監(jiān)測(cè)斷面布置

西施坡隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖，本文以對(duì)生產(chǎn)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析為主，具體監(jiān)測(cè)斷面的布置見(jiàn)圖1，圖中1，2，3為拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，A，B，C，D為收斂測(cè)點(diǎn)。

3 典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以西施坡隧道入口左洞ZK4+639.0斷面為例，分析研究隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。該斷面為Ⅳ級(jí)圍巖，埋深30 m。圍巖由中風(fēng)化泥巖、砂巖互層組成，巖石小裂隙發(fā)育，巖石較破碎。圍巖整體性較好，沒(méi)有明顯結(jié)構(gòu)面。

3.1 拱頂監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)回歸分析，該斷面的拱頂下沉值的指數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.973 0，指數(shù)回歸方程為U=5.343exp(-3.199/T)。由圖2，圖3可知在隧道開(kāi)挖后，拱頂下沉累計(jì)最大值為11.75 mm ，最大日下沉值為2.15 mm/d。前一周時(shí)間內(nèi)拱頂沉降速率大，開(kāi)挖后18 d～20 d趨于穩(wěn)定，沉降速率在0.05 mm/d左右，小于0.2 mm/d。測(cè)點(diǎn)2變形有略微跳動(dòng)，分析主要原因是隧道圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中存在偏壓，但未出現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出收斂趨勢(shì)。

3.2 周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)回歸分析該斷面AB測(cè)線累計(jì)變形的數(shù)據(jù)，其指數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2=0.921，回歸函數(shù)為U=7.389exp(-4.109 1/T)。由圖4，圖5可知，隧道周邊收斂速率在9月13日趨于穩(wěn)定在0.2 mm/d，最終收斂總值為8.19 mm，收斂周期約為18 d。

總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)圖2～圖5得出，拱頂下沉值雖偶爾有跳動(dòng)，但未出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象，并呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)，周邊收斂也未出現(xiàn)特殊跳躍點(diǎn)。依據(jù)JTG/T F60-2009公路隧道施工技術(shù)細(xì)則中對(duì)最大位移和變形速率的要求，說(shuō)明通過(guò)支護(hù)后圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。

4 數(shù)值計(jì)算

為了使監(jiān)測(cè)結(jié)果有明顯的對(duì)比對(duì)象，以入口左洞ZK4+639.0斷面為數(shù)值模擬原型，通過(guò)ANSYS得到該斷面的變形結(jié)果，評(píng)價(jià)西施坡隧道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效果，進(jìn)一步分析總結(jié)圍巖變形規(guī)律[7]。

4.1 模型建立

計(jì)算模型區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)60 m、寬60 m、自地表以下30 m厚的土體，單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖6。土體采用實(shí)體單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?，不同土體采用不同的材料參數(shù)。模型邊界限制水平方向的移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)。開(kāi)挖之前，隧道在圍巖自重和天然地層及其他應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下，形成了一個(gè)較為穩(wěn)定的天然應(yīng)力場(chǎng)，見(jiàn)圖7。

4.2 隧道開(kāi)挖支護(hù)后數(shù)值結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖及初期支護(hù)后豎向位移及水平位移見(jiàn)圖8，圖9。最大豎向位移發(fā)生在拱頂處，沉降值為11.71 mm，最大的水平位移發(fā)生在拱腰處，收斂值為8.23 mm。

由圖8，圖9可知隧道的初期支護(hù)對(duì)隧道變形有明顯的抑制作用，主要體現(xiàn)在有效地抑制了拱頂沉降和凈空收斂。

4.3 數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 入口左洞ZK4+639.0斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

依表2，分析其未完全同步原因主要有：1)本構(gòu)一致性。實(shí)際地層巖性往往比較復(fù)雜，模擬時(shí)不能完全反映其屬性。2)時(shí)效性。模擬時(shí)未考慮開(kāi)挖與支護(hù)之間的時(shí)間差，可能會(huì)造成模擬結(jié)果偏小。3)人為因素。施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械等外界動(dòng)力作用復(fù)雜，臺(tái)階法施工產(chǎn)生的偏壓，以及測(cè)量人員和儀器的誤差等?？傮w來(lái)說(shuō)，二者數(shù)據(jù)相似度較高，相對(duì)誤差都小于10%，且收斂趨勢(shì)相同。因此，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的驗(yàn)證，說(shuō)明西施坡隧道施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。

5 體會(huì)

1)在隧道新奧法施工過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)得到圍巖在開(kāi)挖及初支后的變形數(shù)據(jù)，是確定二襯施作時(shí)間的重要信息。同時(shí)也要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境、地勘報(bào)告、圍巖屬性等的變化來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而發(fā)揮對(duì)下一步工序進(jìn)行準(zhǔn)確而高效地指導(dǎo)意義。

2)本文對(duì)具體斷面的開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏小，但是總體的變形趨勢(shì)是一致的。今后可以在本構(gòu)一致性和時(shí)效性上多做研究，力求讓模擬軟件成為指導(dǎo)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工的強(qiáng)有力工具。

3)監(jiān)控量測(cè)對(duì)指導(dǎo)隧道施工有非常重要的意義，必須保持其準(zhǔn)確性，盡量減少人為因素和其他動(dòng)力源對(duì)它的影響，并需要嚴(yán)格貫穿于整個(gè)隧道施工過(guò)程之中。

[1] 李曉紅.隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2] 孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

[3] 劉洪洲,華鎣山.隧道新奧法施工中的位移量測(cè)分析[J].世界隧道,1999，3(3):64-68.

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[5] 王海濤，賈金青.監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在喬莊隧道中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(2):237-239.

[6] JTG/T F60-2009,公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].

[7] 李 圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

The application of monitoring technology in the Xishipo tunnel

LI Jian-wei1DENG Jiang-lun2DAI Zhi-kun1

(1.CollegeofGlobeScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210000,China;2.FujianGangchengRealEstateDevelopmentCo.,Ltd,Zhangzhou363200,China)

Setting Shangluo North Huancheng Road Xishipo tunnel as the engineering example, the paper introduces the technology of the dynamic monitoring of the tunnel, and analysis the monitoring data of typical sections. At the same time, it utilizes the simulation software ANSYS to analyze the monitoring data of the typical cross-section, then comparing with the actual monitoring data, so as to guide the construction and optimize the design.

highway tunnel, monitoring measurement, regression analysis, numerical calculation

1009-6825(2014)28-0169-03

2014-07-24

李建偉(1987- )，男，在讀碩士； 鄧江倫(1987- )，男，助理工程師； 代志坤(1991- )，男，在讀碩士

U452

A