■　張燕清（三明市交通建設(shè)投資有限公司，三明　365000）

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曹源隧道施工動態(tài)監(jiān)測與有限元模擬分析

■張燕清
（三明市交通建設(shè)投資有限公司，三明365000）

摘要針對公路隧道施工過程中圍巖應(yīng)力應(yīng)變的復(fù)雜變化過程，本文基于三維有限元分析法和隧道施工動態(tài)監(jiān)測，研究了泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道洞身開挖過程中圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律，研究結(jié)果可為隧道動態(tài)化設(shè)計、施工等提供參考。

關(guān)鍵詞隧道施工效應(yīng)監(jiān)控量測位移有限元分析

1　概述

在隧道施工過程中，施工對隧道周邊圍巖產(chǎn)生一個動態(tài)的擾動，打破了巖體內(nèi)原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布。且由施工而引起的圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化改變了隧道圍巖的力學(xué)性能，導(dǎo)致巖體強度降低，并最終影響隧道圍巖的變形量及其破壞模式。

新奧法基本觀點就是根據(jù)巖體力學(xué)理論，著眼于洞室開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力重分布，而不拘泥于傳統(tǒng)的荷載觀念。通過施工過程對圍巖和支護(hù)的動態(tài)觀察、變形量測、應(yīng)力監(jiān)測、彈性波測試等，合理安排施工順序，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計變更以及日常的施工管理。此外，通過計算機數(shù)值模擬和一定的巖土本構(gòu)關(guān)系模型，還可反演推算推求圍巖中的應(yīng)力場和位移場，據(jù)此推斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)整支護(hù)或襯砌設(shè)計參數(shù)，使得支護(hù)與襯砌設(shè)計參數(shù)與圍巖條件相協(xié)調(diào)，施工方案不斷得到優(yōu)化。

泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道出口段圍巖巖性為黃褐色殘積粘性土，濕潤可塑，系二迭系棲霞組硅質(zhì)巖，強烈風(fēng)化所致，風(fēng)化巖厚度大，巖性松軟，不穩(wěn)定，地下水較為發(fā)育。本文依據(jù)曹源隧道地質(zhì)條件，針對我省公路隧道結(jié)構(gòu)形式下洞身開挖進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，探討隧道施工過程中圍巖內(nèi)特征點的應(yīng)力、位移變化規(guī)律。

2　計算模型及基本原理

2.1計算模型及參數(shù)

本文基于三維有限元分析方法，為方便計算，圍巖當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)考慮，巖性均一，各向同性體。計算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的影響，荷載只考慮自重。除上部邊界面自由外，其它邊界面均具有法向約束。計算中圍巖采用四面體實體單元，襯砌采用板單元，錨桿采用桿單元。如圖1所示。

分析中所采用的模型及介質(zhì)參數(shù)詳見表1，圍巖等級按Ⅳ級、Ⅴ級考慮，隧道橫截面為三心圓加仰拱的形式，隧道寬11.7m，高8.0m，高寬比為0.69。為簡化計算，分析中不考慮二襯的作用，主要考慮開挖和初襯的影響，初襯采用噴射混凝土加錨桿方式支護(hù)。襯砌厚度為0.2m，錨桿長度為3.5m。

圖1　圍巖網(wǎng)格劃分示意圖

表1　各介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.2基本原理

巖體的彈塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，襯砌和錨桿采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。隧道開挖施工過程主要包括巖體分步開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的分步設(shè)置等。

對各施工階段的狀態(tài)，有限元分析的表達(dá)式為：

式中，L——施工步數(shù)；

［K］0——開挖前巖體等的初始剛度矩陣；

［K］i（i≥1）——第i施工步巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣；

｛ΔFr｝i——第i施工步開挖邊界上的釋放荷載的等效結(jié)點力，初次開挖由巖體的自重、地下水荷載、地面超載等確定，其后各開挖步由當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)決定；

｛ΔFg｝i——第i施工步新增自重等的等效結(jié)點力；

｛ΔFp｝i——第i施工步增量荷載的等效結(jié)點力；

｛Δδ｝i——第i施工步的結(jié)點位移增量。

對每個施工步，增量加載過程的有限元分析的表達(dá)式為：

式中，M——各施工步增量加載的次數(shù)；

［K］ij——第i施工步中施加第j增量步時的剛度矩陣；

｛Δδ｝ij——第i施工步中施加第j增量步的結(jié)點位移增量；

｛ΔFg｝ij——第i施工步中施加第j增量步新增自重等的等效結(jié)點力；

｛ΔFp｝ij——第i施工步中施加第j增量步增量荷載的等效結(jié)點力。

3　計算結(jié)果分析

3.1施工對隧道圍巖應(yīng)力影響

選取隧道拱頂A、拱腰B、拱底C共3個特征點，如圖2，分析施工全過程中應(yīng)力變化特征，結(jié)果參見圖3，其中圖（a）為x、y、z方向正應(yīng)力變化曲線，圖（b）為三個主應(yīng)力變化曲線。圖中坐標(biāo)軸橫軸表示計算點距掌子面的距離，負(fù)值表示掌子面還未到分析點所處的斷面。以壓應(yīng)力計正，拉應(yīng)力計負(fù)。

（1）拱頂A點，如圖3所示。

圖2　隧道截面幾何尺寸示意圖

圖3　施工過程中拱頂A點應(yīng)力變化曲線

隨著掌子面的推進(jìn)，x方向正應(yīng)力σxx逐漸增加，掌子面達(dá)到測點位置時測點σxx減小，其后又增加，其值始終大于初始值。y方向測點正應(yīng)力σyy開始逐漸減小，在掌子面距離測點位置4m處開始增大；在掌子面處于測點前方2m處達(dá)到最大值，并在下一個施工步驟減；隨著掌子面與測點距離的加大，施工對測點σyy的影響逐漸減小，甚至在一定距離后，σyy出現(xiàn)增加趨勢；當(dāng)掌子面在測點前方時，測點的σyy值要大于初始值。z方向測點正應(yīng)力σzz逐漸增加，當(dāng)掌子面推進(jìn)至測點位置時，σzz出現(xiàn)最大值，并在下一個施工步急劇減??；當(dāng)掌子面至測點前方4m位置處，σzz開始逐漸增加，但其值小于初始值。至開挖結(jié)束，豎向應(yīng)力小于水平向應(yīng)力，且以σxx為最大，主應(yīng)力軸發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。

對于主應(yīng)力，隨著掌子面的推進(jìn)，測點最大主應(yīng)力σ1一直增大，在掌子面處于測點前方2m位置處，σ1達(dá)到最大值；在下一個施工步出現(xiàn)驟減，其后緩慢增加；當(dāng)掌子面處在測點前方時，測點的σ1值略大于初始值。σ2隨掌子面的推進(jìn)而增大，在掌子面達(dá)到測點位置時，測點σ2達(dá)到最大值；其后逐漸減小，在掌子面處于測點前方一定位置處，測點σ2出現(xiàn)增大趨勢；其值始終大于初始值。測點σ3隨掌子面的推進(jìn)而減小，并在距離測點4m位置處達(dá)到極小值；而后增大，并在掌子面達(dá)到測點位置時σ3出現(xiàn)最大值；但在下一個施工步其值驟減，并達(dá)到負(fù)值，出現(xiàn)拉應(yīng)力；在其后施工中，測點σ3又增大，呈現(xiàn)震蕩特征；隨著掌子面與測點距離的增大，σ3趨向穩(wěn)定，但其值始終小于初始值。

（2）拱腰B點，如圖4所示。

圖4　施工過程中拱腰B點應(yīng)力變化曲線

測點方向正應(yīng)力σxx在第一個施工步出現(xiàn)減??；隨著掌子面的推進(jìn)，σxx逐漸緩慢增加，在掌子面附近出現(xiàn)較大增幅，并當(dāng)掌子面處在測點位置時，達(dá)到最大值；在下一個施工步出現(xiàn)大幅度減小，而后逐漸增大；當(dāng)掌子面在測點前方時，測點σxx值略小于初始值。隨著掌子面的推進(jìn)，測點y方向正應(yīng)力σyy略有減小，在掌子面距離測點4m位置處開始增大；并當(dāng)掌子面達(dá)到測點位置時，達(dá)到最大值；在下一個施工步出現(xiàn)減小，其后逐漸增大；掌子面處于測點前方，測點σyy值大于初始值。隨著掌子面的推進(jìn)，測點z方向正應(yīng)力σzz一直在增大，并在掌子面達(dá)到測點的前一個施工步，σzz出現(xiàn)較大增幅，其值始終大于初始值。至施工結(jié)束，σyy大于σxx。

測點主應(yīng)力σ1的變化趨勢與σzz一致。σ2的變化趨勢與σxx一致。σ3的變化趨勢與σyy一致。施工前σ2與σ3值相等，施工結(jié)束二者差值較大。

（3）拱底C點，如圖5所示。

圖5　施工過程中拱底C點應(yīng)力變化曲線

隨著掌子面的推進(jìn)，σxx逐漸增大，當(dāng)掌子面達(dá)到測點位置時，其值達(dá)到最大，而后減小，并趨于穩(wěn)定，但在掌子面到達(dá)到測點之后的下一個施工步，測點σxx值降幅明顯。測點σyy隨掌子面推進(jìn)逐漸減小；在距離測點2m處增大，并在掌子面處于測點前方2m處達(dá)到最大值；其后減小，并隨掌子面與測點距離增大而逐漸趨于穩(wěn)定。測點σzz先隨掌子面推進(jìn)逐漸增大，在掌子面達(dá)到測點位置時出現(xiàn)最大值；在其后一個施工步出現(xiàn)驟減，而后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。施工結(jié)束測點σxx仍與σyy值接近，但其值大于σzz，說明施工過程中，測點最大主應(yīng)力軸發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)。

測點σ1變化趨勢與σzz近似，但其最大值出現(xiàn)在掌子面處于測點前方2m位置。測點σ2變化趨勢與σxx一致。測點σ3值隨掌子面推進(jìn)先逐漸減小，掌子面距離測點2m位置處出現(xiàn)增大；當(dāng)掌子面開挖至測點位置時，測點值出現(xiàn)最大值；在下一個施工步出現(xiàn)驟減，其值小于0，出現(xiàn)拉應(yīng)力；但是在下一個施工步又出現(xiàn)較大增幅，呈現(xiàn)震蕩特征；隨著掌子面與測點距離增大，測點σ3值逐漸趨于穩(wěn)定。開挖結(jié)束，主應(yīng)力σ1與σ2接近。

3.2施工對隧道圍巖位移影響

x方向位移以向洞內(nèi)方向變化計正，以向圍巖方向變化計負(fù)。y方向位移以沿掘進(jìn)方向變化計正，逆掘進(jìn)方向變化計負(fù)。z方向位移向上隆起計正，向下沉降計負(fù)。

（1）拱頂A點，如圖6所示。

由于模型沿隧道軸線方向?qū)ΨQ，所以測點沿x方向位移為0。對于測點沿y方向的位移，隨著掌子面的推進(jìn)，測點產(chǎn)生逆掘進(jìn)方向的位移，當(dāng)掌子面達(dá)到測點位置時，位移達(dá)到最大值；隨著施工繼續(xù)，逆掘進(jìn)方向位移逐漸減小，并產(chǎn)生順掘進(jìn)方向的位移。對于測點沿z方向的變形，測點隨掌子面的推進(jìn)而不斷沉降。掌子面處在測點附近時，施工引起測點位置圍巖發(fā)生較大幅度變形，隨著掌子面的持續(xù)推進(jìn)，變形緩慢增加。三個方向的變形以z方向變形量最大，相應(yīng)的監(jiān)控量測應(yīng)以豎向為主。

圖6　施工過程中拱頂A點位移變化曲線

（2）拱腰B點，如圖7所示。

推著掌子面的推進(jìn)，測點產(chǎn)生沿洞內(nèi)方向的位移；當(dāng)掌子面開挖至測點處，位移增幅顯著，且達(dá)到最大值；隨著掌子面繼續(xù)推進(jìn)，朝向洞內(nèi)的位移值變小。對于y方向的位移，測點先產(chǎn)生逆掘進(jìn)方向的位移，當(dāng)掌子面到達(dá)測點處，測點沿y方向位移達(dá)到最大值，而后逐漸減??；掌子面處于測點前方10m處，測點逆掘進(jìn)方向位移開始緩慢增加。對于豎向位移，開始階段測點處產(chǎn)生隆起變形，且在掌子面處于測點處時，隆起變形最大；而后變形量減小，當(dāng)掌子面處于測點前方10m位置時，測點處開始產(chǎn)生沉降，且沉降量隨施工的進(jìn)行而增加。三個方向變形中，以測點沿x方向變形量最大，相應(yīng)變形監(jiān)控量測應(yīng)以水平向周邊收斂為主。

圖7　施工過程中拱腰B點位移變化曲線

在進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時，應(yīng)注意變形特點，對于拱腰水平收斂變形，在掌子面距離測點一定距離處，測點圍巖發(fā)生朝圍巖方向變形屬于正常現(xiàn)象。

（3）仰拱C點，如圖8所示。

由于模型沿隧道軸線方向?qū)ΨQ，所以測點沿x方向位移為0。對于y方向的位移，隨著掌子面的推進(jìn)，測點產(chǎn)生逆掘進(jìn)方向的位移，在掌子面達(dá)到測點位置時，測點y方向位移最大；而后變形量減小，趨近于零。

對于測點沿z方向的變形，測點位置巖體隨掌子面的推進(jìn)而不斷隆起。掌子面處在測點附近時，施工引起測點位置圍巖發(fā)生較大隆起，后續(xù)施工對變形影響量較小。測點變形以豎向隆起最顯著，仰拱變形監(jiān)控量測應(yīng)以豎向為主。

由于受條件限制，洞內(nèi)監(jiān)測只能在掘進(jìn)至待監(jiān)測斷面并進(jìn)行監(jiān)控布點后才能觀測到圍巖變形。事實上圍巖在隧道一開始開挖即受到擾動而產(chǎn)生變形，所以洞內(nèi)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反映不出該點測點位置前期開挖產(chǎn)生的變形。洞外監(jiān)測項目，如地表沉降觀測，應(yīng)充分考慮到這一變形特點，在隧道掌子面前方埋設(shè)好測點，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，充分了解隧道施工對圍巖的擾動。

圖8　施工過程中仰拱C點位移變化曲線

4　實測結(jié)果分析

4.1曹源隧道監(jiān)測結(jié)果

泉三高速公路曹源隧道出口段圍巖巖性為黃褐色殘積粘性土，濕潤可塑，系二迭系棲霞組硅質(zhì)巖，強烈風(fēng)化所致，風(fēng)化巖厚度大，巖性松軟，不穩(wěn)定，地下水較為發(fā)育。施工過程采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，及時施作仰拱，掌子面附近除保留核心土外，中部還添加鋼支撐。

通過在拱頂、左右拱腰布設(shè)監(jiān)控量測點，曹源隧道的施工監(jiān)控量測中多次預(yù)測到險情，獲得幾次臨界破壞經(jīng)驗值。

（1）曹源隧道左洞出口

2007年4月12日、13日ZK244+715左側(cè)地表沉降突然增大，地表出現(xiàn)明顯裂縫，監(jiān)測組當(dāng)日通過電話及時通知，并形成反饋單及時反饋給各有關(guān)單位，同時建議：立即停止施工，緊急加固。施工單位即刻停止施工，采取木頭、鋼支撐等措施緊急加密加固，14日晚一場中雨，15日凌晨洞內(nèi)掌子面土樣呈流塑狀態(tài)出現(xiàn)，并發(fā)展成泥流，于當(dāng)日11時左右在ZK244+709附近冒頂3m2左右。由于洞內(nèi)泥濘不堪，快挖快支護(hù)，施工工藝復(fù)雜，洞內(nèi)無法組織拱頂下沉觀測，故缺乏拱頂下沉監(jiān)測值。臨界破壞地表沉降和收斂值見表2。

表2　臨界破壞地表沉降值與收斂值

（2）曹源隧道右洞出口

2007年5月12日，受下臺階開挖影響，YK244+ 655周邊收斂、拱頂下沉和YK244+641地表沉降急劇增大，且下臺階水平收斂變化最大，達(dá)23.73mm，下臺階部位見較多裂縫，外鼓，13日、14日裂縫發(fā)展，變形加劇，為圍巖往洞內(nèi)推移，“內(nèi)斂”所致，及時反饋給有關(guān)各方（發(fā)反饋單cyfk-002）后，施工單位及時在YK244+655附近下臺階兩側(cè)各布設(shè)8根U型鋼斜支撐加固，變形停止，基本穩(wěn)定。監(jiān)測到的水平收斂值臨界點見表3。

表3　臨界破壞水平周邊收斂值與穩(wěn)定值

4.2實測數(shù)據(jù)變形規(guī)律分析

通過對泉三高速公路曹源隧道各監(jiān)測斷面結(jié)果整理，與掌子面距離1B至5B時圍巖變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示，從統(tǒng)計資料可以看出：

（1）距掌子面距離超過3B，圍巖基本穩(wěn)定。當(dāng)然，如下臺階開挖等施工，又進(jìn)一步擾動圍巖，相應(yīng)斷面的變形繼續(xù)。

（2）相對拱頂沉降和周邊收斂項目，地表沉降監(jiān)測到的數(shù)據(jù)規(guī)律性更強一些，這主要是因為地表沉降觀測幾乎不受施工影響之故，而且與可以在開挖斷面未通過監(jiān)測斷面時即可獲得初始值有關(guān)。由于爆破、施工影響，布點不及時等，都易造成洞內(nèi)監(jiān)測項目無法獲得最初變形值。

（3）從總體平均上看，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算規(guī)律一致。即距掌子面1B完成變形50％左右；2B時完成75％；3B時則為85％；（4～6）B基本收斂。

圖9　實測變形完成量與距掌子面距離關(guān)系

5　結(jié)論

本文基于三維有限元方法，對泉三高速公路曹源隧道進(jìn)行了圍巖應(yīng)力和位移的洞身開挖影響分析，并結(jié)合監(jiān)控量測分析結(jié)果，得出主要結(jié)論如下：

（1）隧道開挖是一個復(fù)雜的先加載后卸載的過程，這種循環(huán)荷載易造成低強度圍巖發(fā)生屈服破壞，從而喪失穩(wěn)定性。隧道開挖卸荷效應(yīng)在隧道拱底表現(xiàn)最為明顯，拱頂次之，拱腰最弱。

（2）隧道圍巖變形經(jīng)歷了一個較為復(fù)雜的過程：對于拱頂和仰拱而言，豎向變形持續(xù)增加最后達(dá)到穩(wěn)定，橫向變形相對穩(wěn)定，縱向變形先增加后減?。粚τ谘龉岸?，橫向位移在增加后會出現(xiàn)一個減小的過程。

（3）隧道變形監(jiān)控量測中，拱頂和仰拱應(yīng)以監(jiān)測豎向變形為主，即拱頂下沉和仰拱隆起；拱腰以監(jiān)測水平向周邊收斂為主。洞內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)一般無法反映前期施工對圍巖產(chǎn)生的擾動影響；洞外監(jiān)測應(yīng)提前布點，充分了解施工擾動效應(yīng)。

（4）監(jiān)測結(jié)果表明，變形主要發(fā)生在距離掌子面3B距離以內(nèi)，距掌子面超過3B距離時圍巖基本穩(wěn)定，距離掌子面（4～6）B距離時基本收斂。

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