張運(yùn)良，王昌勝，路 平，李鳳翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

小凈距隧道施工監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值分析＊

張運(yùn)良，王昌勝，路 平，李鳳翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)小凈距隧道凈距小和出口段圍巖較差的特點(diǎn)，在進(jìn)洞施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照新奧法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，對(duì)洞內(nèi)掌子面、支護(hù)狀況、拱頂沉降、水平收斂和地表沉降等項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;同時(shí)建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比分析，得出該隧道圍巖變形規(guī)律。此結(jié)果對(duì)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(cè);數(shù)值分析

監(jiān)控量測(cè)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(guò)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(dòng)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(diǎn)，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(diǎn)［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(duì)小凈距隧道出口段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)有重要意義:(1)研究地表沉降規(guī)律，及時(shí)掌握沉降，預(yù)見(jiàn)事故和險(xiǎn)情，對(duì)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(shí)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(shí)掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作動(dòng)態(tài)，判斷中間巖柱的移動(dòng)規(guī)律，為支護(hù)提供依據(jù)，了解圍巖穩(wěn)定需要的時(shí)間，同時(shí)驗(yàn)證開(kāi)挖方法的合理性，為及時(shí)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(guò)對(duì)其出口段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)預(yù)報(bào)了險(xiǎn)情。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比分析，得出該隧道圍巖變形規(guī)律，對(duì)改善隧道施工方法，確保施工安全有重要意義和實(shí)用價(jià)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(biāo)段。八面山隧道出口左線起止樁號(hào)ZK56+160～ZK58+520，長(zhǎng)2 360 m;右線起止樁號(hào)YK56+160～YK58+505，長(zhǎng)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(qiáng)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(cè)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(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖組成，巖體較破碎，為軟巖。

2 隧道施工監(jiān)測(cè)

2.1 地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

2010年7月25日，八面山隧道出口左線己進(jìn)洞11 m，右洞此時(shí)也開(kāi)始進(jìn)洞。洞口己采用φ108大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用上下臺(tái)階法進(jìn)行施工。進(jìn)洞后即對(duì)初期支護(hù)、掌子面圍巖以及邊仰坡進(jìn)行了詳細(xì)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(wú)自穩(wěn)能力。

2.2 地表沉降量測(cè)

八面山隧道出口位于淺埋、軟弱、破碎、自穩(wěn)時(shí)間極短的圍巖中，施工時(shí)極易發(fā)生冒頂、塌方，嚴(yán)重時(shí)引起地表下沉。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，分別在出口ZK58+498、YK58+484埋設(shè)了2個(gè)地表沉降觀測(cè)斷面。在每個(gè)斷面上布置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)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(cè)

拱頂沉降與周邊相對(duì)位移量測(cè)原則上設(shè)在同一斷面［5］，如圖2所示。A點(diǎn)為拱頂下沉量測(cè)點(diǎn)，其余為周邊位移測(cè)點(diǎn)，上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)用測(cè)線2布置量測(cè)，下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)采用測(cè)線1布置量測(cè)，且小凈距隧道兩洞都要同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)盡量布置在同一個(gè)里程斷面上，便于準(zhǔn)確地反映中間巖柱的移動(dòng)情況。

圖2 拱頂沉降和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 The arrangement for observation point of vault settlement and horizontal convergence

3 量測(cè)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(hào)進(jìn)洞后，7月25號(hào)左洞上臺(tái)階已進(jìn)尺11 m，右洞也開(kāi)始進(jìn)洞。雖然洞內(nèi)支護(hù)狀況良好，但地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化明顯，有個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)3 d變化均超過(guò)5 mm/d，且仍在繼續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)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(shí)覆蓋層厚度較小，易發(fā)生冒頂、塌方，嚴(yán)重時(shí)引起地表下沉。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，施工單位立即采取措施封閉掌子面，待一定時(shí)間穩(wěn)定后開(kāi)挖下臺(tái)階及仰拱，使初期支護(hù)閉合成環(huán)共同受力，同時(shí)采取洞內(nèi)注漿措施加固圍巖;根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)，對(duì)邊仰坡及中間巖柱進(jìn)行加固，更換進(jìn)洞工法，將原來(lái)的上下臺(tái)階法改為環(huán)形開(kāi)挖留核心土法。最終在監(jiān)測(cè)指導(dǎo)下順利進(jìn)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(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成圖3～圖4所示曲線(圖中負(fù)號(hào)表示下沉或向內(nèi)收斂，下同)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知:

(1)開(kāi)挖初期地表變化比較小，但在進(jìn)洞后出現(xiàn)急劇下沉;

(2)左洞的變化曲線與右洞相似，說(shuō)明一方開(kāi)挖對(duì)另一方地表沉降有較大影響，特別是越靠近對(duì)方的測(cè)點(diǎn)變化越明顯;

(3)左右洞累計(jì)沉降值為各測(cè)點(diǎn)中點(diǎn)最大，說(shuō)明隧道進(jìn)洞時(shí)，正上方是最危險(xiǎn)的地方，需要重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè);

(4)左右洞靠近中間巖柱正上方的測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化比較大，說(shuō)明中間巖柱是較薄弱地帶，需要加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 ZK58+498地表各測(cè)點(diǎn)累計(jì)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(cè)點(diǎn)累計(jì)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(guò)對(duì)拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)地了解隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變化情況，及時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)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(kāi)挖過(guò)程中拱頂沉降和周邊收斂值急劇變化，待初期支護(hù)閉合后趨于緩慢變化，繼續(xù)向前開(kāi)挖后，原閉合段又出現(xiàn)較大變化，等新開(kāi)挖段初期支護(hù)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(shí)間極短的圍巖中。因此需變換施工工法，將原來(lái)的上下臺(tái)階法更換為環(huán)形開(kāi)挖留核心土法，且嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，結(jié)合施工輔助措施，對(duì)洞內(nèi)圍巖進(jìn)行注漿加固。

(2)左右洞是交替開(kāi)挖，從圖中可以看出，左右洞在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)對(duì)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(jì)沉降都超過(guò)10 cm，因此左右洞需加大預(yù)留沉降量。

(3)左右洞在進(jìn)洞過(guò)程中，洞內(nèi)收斂是負(fù)增長(zhǎng)，即向內(nèi)逐漸收縮。隧道兩邊不會(huì)移動(dòng)，而中間巖柱較為薄弱有移動(dòng)趨勢(shì)，因此需對(duì)中間巖柱進(jìn)行加固。

圖5 左右洞拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線Fig.5 Schedule curve for the total vault settlement of the tunnel

圖6 左右洞周邊累計(jì)收斂時(shí)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(chǎng)實(shí)際情況，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立計(jì)算模型，計(jì)算采用彈塑性模型、平面應(yīng)變單元進(jìn)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(jì)算模型如圖7所示。

施工采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法，對(duì)位移變化進(jìn)行分析時(shí)，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(lái)看，拱頂最大位移為－9.81 cm(如圖8所示)，小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相近。

圖7 隧道開(kāi)挖模型Fig.7 Excavation model of the tunnel

(2)從拱頂沉降來(lái)看，數(shù)值模擬結(jié)果為－9.81 cm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為－15.42 cm，兩者有一定差異，這主要與模擬時(shí)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(cè)報(bào)告和相應(yīng)規(guī)范來(lái)選取，但還是與實(shí)際工程圍巖有較大差距，同時(shí)施工過(guò)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(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形，得出的圍巖變化規(guī)律對(duì)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(guò)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖時(shí)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(shí)際監(jiān)測(cè)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(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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