隧道施工中現(xiàn)場監(jiān)測與分析作用的探討

賀鵬飛

［湖南省隧道工程總公司（湖南省地礦局四一四隊），湖南益陽 413000］

0 引言

淺埋偏壓隧道在設(shè)計與施工時必須采取相應(yīng)的方法進行防偏壓處理。在該隧道設(shè)計時對施工方法只是簡單地提及而沒有進行對比研究，這樣無形中會加大施工成本，造成施工中不安全因素的增加。本文以某公路隧道為例，對施工過程中的監(jiān)測資料進行分析，提出了適合該隧道的施工方法；同時，采用數(shù)值分析的手段，對該隧道可能采用的施工方法進行了計算分析，從受力的角度提出了最佳的施工方案，為以后類似工程的設(shè)計與施工提供了依據(jù)。

該隧道的設(shè)計施工方法為“CD”施工方法。考慮到施工工期及經(jīng)濟因素，擬對進口段采用正臺階施工方法進行試開挖并進行施工量測。通過對量測數(shù)據(jù)、施工進度、經(jīng)濟條件等因素的綜合分析提出最終適合于該隧道的施工方法。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場條件及一般隧道的監(jiān)測內(nèi)容，該隧道的主要監(jiān)測項目為：周邊位移量測、拱頂下沉量測、地表下沉量測、鋼支撐內(nèi)力量測和錨桿軸力量測。各元件的具體布置見圖1所示。

1.1 地表下沉

圖2為地表下沉的監(jiān)測結(jié)果。從圖2中可以看出，當(dāng)圍巖開挖歷經(jīng)20 d之后，其地表下沉基本上就處于穩(wěn)定狀態(tài)，而此時掌子面已經(jīng)推進了將近100 m左右。上述情況表明：該斷面的地表沉降經(jīng)過20 d以后基本完成，可以進行下一步的工作。

1.2 收斂變形

圖3為量測斷面上臺階開挖30～97 m的收斂變形曲線，量測時間共45 d。在上臺階開挖過程中，收斂量在3 mm以內(nèi)，說明在上臺階開挖過30 m時，圍巖的大部分應(yīng)力已經(jīng)釋放，圍巖的位移大部分已發(fā)生。水平測線AC數(shù)值最大，表明隧道側(cè)壓力比豎直壓力大，其中的主要原因可能是隧道左側(cè)成拱效應(yīng)比右側(cè)成拱效應(yīng)差，因此隧道左側(cè)受到更大的圍巖壓力。

1.3 拱頂位移

圖4為上臺階開挖后典型斷面拱頂實測位移曲線，該斷面圍巖主要為炭質(zhì)板巖，屬于Ⅲ類圍巖，圍巖較破碎。

通過對測量線進行擬合可知:

（1）最終位移 u∞=38.83 mm，該值較大，這主要是由于該斷面所處圍巖比較破碎，且節(jié)理裂隙較發(fā)育。但在第6 d時，位移即為33.43 mm，已達到最終位移的81%，這說明圍巖很快趨于穩(wěn)定。

（2）當(dāng) t=16 d時，位移速率為0.1 mm/d，以后隨著時間t的增長，位移速率將越來越小。

1.4 鋼支撐內(nèi)力

所選取的典型斷面，其主要圍巖類型為泥巖，屬于Ⅲ類圍巖。量測結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，內(nèi)力變化曲線在時間上可分為4個階段：其中上臺階開挖后數(shù)據(jù)曲線形成了急劇增大→緩慢增大→趨于平緩，這Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段；下臺階開挖后形成了第Ⅳ階段。下臺階開挖后，鋼支撐左右兩側(cè)的內(nèi)力變化并不一致，說明鋼支撐所受的左、右兩側(cè)的壓力并不相等。

由于各部位內(nèi)力變化在上臺階開挖后基本一致，因此可以對其中某個部位的內(nèi)力變化進行分析，從而得到一般的規(guī)律。現(xiàn)選取鋼支撐內(nèi)層的左側(cè)部位，經(jīng)分析其內(nèi)力最終值為2.393 kN；在L=50 m時，為1.56 kN，占其最終值的65%；在L=100 m時，為1.93 kN，占其最終值的81%，可見內(nèi)力的大部分在上臺階開挖后50 m內(nèi)產(chǎn)生。

1.5 錨桿內(nèi)力量測結(jié)果

錨桿內(nèi)力量測結(jié)果見圖6所示。從圖6可以看出，圍巖變形超過20 d之后，其變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在最初的一周之內(nèi)，其變形發(fā)展是最為顯著的時期，過此之后，其變形將逐漸趨于穩(wěn)定。因此，圍巖開挖之后的初始階段是值得注意的時期。

1.6 施工方法調(diào)整

鑒于實測的位移、支護結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快，因此將原設(shè)計中采用的“CD”法開挖并輔助超前錨桿支護的施工方法變更為采用臺階法開挖的施工方法即可滿足要求。

2 數(shù)值模型的建立與計算參數(shù)的選取

為了更好地了解在不同施工方法下偏壓隧道的受力變形規(guī)律，以便從隧道受力變形的角度尋找出這種隧道的最佳施工方法，在本文中采用數(shù)值分析的手段，對該具體工程進行建模分析。

數(shù)值模型的建立：根據(jù)不同的施工方法建立的數(shù)值模型如圖7所示。為節(jié)省篇幅，在本文中只列出CD法開挖的網(wǎng)格剖分圖。

計算參數(shù)的選取:綜合《工程巖體分級標準》（GB50218-94）、《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70-2004)、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003-2005）等資料對各類圍巖物理力學(xué)參數(shù)的取值情況，取各類圍巖中值作為巖體的計算參數(shù)。對錨桿與型鋼拱架材料參數(shù)則根據(jù)實驗結(jié)果取舍。

3 計算結(jié)果與分析

表1、表2分別為采用數(shù)值模擬得出的幾種不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移、隧道周邊最大圍巖應(yīng)力。而錨桿軸力和鋼支撐內(nèi)力由于受篇幅限制，在此不再一一在表中列出。

表1 不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移統(tǒng)計表(單位：cm)

表2 不同施工方法下隧道周邊最大圍巖應(yīng)力統(tǒng)計表

從計算結(jié)果可以看出，不同施工方法下偏壓隧道的受力存在一些共同點：（1）拱頂部分的錨桿與鋼支撐在不同的施工階段受力都很小。（2）完工后受偏壓較大的右墻所承受的圍巖應(yīng)力最大，而且拱腳與墻角往往都是應(yīng)力集中的地方。（3）錨桿與鋼支撐的受力在施工中間階段往往是右側(cè)受力稍大，而完工后則左側(cè)稍大。

但也存在一些不同點：（1）在位移方面，CD法無論是拱頂位移、地表位移，還是側(cè)墻位移都小于全斷面法與臺階法；臺階法在中間施工時的各項位移都小于全斷面法，完工后除左墻位移外，其余也比全斷面法施工的位移小。（2）錨桿所受軸力、鋼拱架所受軸力和彎矩以全斷面法施工最大，臺階法次之，CD法最小。

根據(jù)以上分析可知，在偏壓隧道中，要優(yōu)先采用CD法進行施工，如施工斷面較小，偏壓不大時，也可采用正臺階法施工，一般情況下不要采用全斷面法施工。此外，筆者在采用CD法施工模擬時計算了兩種開挖方法，一種是先右后左；一種是先左后右，結(jié)果表明，前者無論從受力變形大小、收斂時間長短均優(yōu)于后者。因此，可以推斷：在采用CD法進行施工時應(yīng)從偏壓較大的一側(cè)開始施工。

4 結(jié)語

通過采用現(xiàn)場實測和數(shù)值分析的方法對偏壓隧道的施工方法進行對比研究，取得了如下成果：

（1）通過用數(shù)值模擬方法對全斷面、正臺階和CD法施工動態(tài)計算表明，在偏壓較大的情況下要優(yōu)先采用CD法進行施工，且施工時先施工偏壓較大的一側(cè)。其次選擇臺階法，對全斷面法則要謹慎。

（2）通過對該隧道的量測可知,實測的位移、支護結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快，因此可將原設(shè)計中采用的“CD”法開挖的施工方法變更為采用臺階法開挖的施工方法。

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