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(yùn)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(xiàng)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(yùn)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(jì)算，指出了施工中圍巖應(yīng)力的危險(xiǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(gè)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(xiàng)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(gè)隧道設(shè)計(jì)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(qiáng)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(bào)告，V級圍巖長度約627 m，占整個(gè)隧道44.9%；IV級圍巖長度有530 m左右，占整個(gè)隧道38.0%；Ⅲ級圍巖長度有238 m左右，占整個(gè)隧道17.1%。進(jìn)口端基巖為強(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(shí)際工程地質(zhì)，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖和中風(fēng)化千枚巖巖層采用廣義Hoek-Brown強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(shí)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?yàn)椋和ㄟ^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(diǎn)→運(yùn)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(diǎn)

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(diǎn)1與其對稱位置特征點(diǎn)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(diǎn)4與其對稱位置特征點(diǎn)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(shí)進(jìn)行了監(jiān)測，取樁號ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540斷面現(xiàn)場實(shí)測拱頂沉降作為分析對象?，F(xiàn)場實(shí)測拱頂累計(jì)沉降與時(shí)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(shí)測拱頂累計(jì)沉降位移隨時(shí)間天數(shù)增加逐漸增加，隧道拱頂累計(jì)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(shí)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(shí)測收斂位移作為分析對象，ZK115+530斷面各測線實(shí)測收斂位移曲線如圖4所示。

圖3 實(shí)測累計(jì)拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線 圖4 實(shí)測累計(jì)周邊收斂位移與時(shí)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(jì)按照軸對稱情況下經(jīng)典收斂約束法進(jìn)行設(shè)計(jì)明顯與實(shí)際不符。

4 現(xiàn)場實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)測的拱頂沉降隨開挖后間隔時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)測拱頂沉降下沉至10.5 mm時(shí)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(shí)測收斂位移作為分析對象，將現(xiàn)場實(shí)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(shí)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(shí)測收斂位移趨勢一致，但數(shù)值模擬收斂位移略小于實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，隧道測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加幾乎沒有變化；當(dāng)?shù)乇砥陆堑扔?5°時(shí)，隧道測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加，而逐漸增加，在S10步時(shí)，位移出現(xiàn)驟降點(diǎn)，在S45步時(shí)，位移逐步達(dá)到穩(wěn)定，最大測線位移為9mm。經(jīng)計(jì)算水平位移在其不同對稱點(diǎn)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，隧道測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加而逐漸增加，在S10步時(shí)，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(shí)，測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加而逐漸增加，在S10步時(shí)，位移出現(xiàn)驟降，在S45步后時(shí)，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(shí)，洞壁位移趨于穩(wěn)定極限值。經(jīng)計(jì)算水平位移在其不同對稱點(diǎn)位置處收斂程度不同，且埋深較淺時(shí)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(shí)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(shí)ZK115+530斷面為研究對象，分析不同圍巖地質(zhì)強(qiáng)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(jì)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(shí)，測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加，而逐漸增加，在S10步時(shí)，位移出現(xiàn)驟降，最大測線位移為9.86mm；當(dāng)GSI為50時(shí)，測線位移隨計(jì)算步數(shù)增加，而逐漸增加，無明顯驟降點(diǎn)，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(qiáng)度逐漸減小，隧道洞壁位移也隨之增加。經(jīng)計(jì)算水平位移在其不同對稱點(diǎn)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(shí)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(shí)測一致，說明數(shù)值模擬充分考慮現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)有一定借鑒價(jià)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(diǎn)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(shí)，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(qiáng)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(jì)時(shí)，對隧道拱肩和拱腳位置偏壓圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)及施工加強(qiáng)考慮。