老鷹山隧道拱頂下沉建模與監測比對分析

劉 志 楠

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000； 2.安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引言

新奧法隧道施工由于其理論基礎的科學性及正確性而被廣泛采用，監控量測正是新奧法隧道施工中的重要組成部分，是監控圍巖與機構穩定性的重要手段，被不斷運用到生產實踐中[1]。監控量測是隧道施工管理中不可缺少的重要環節，在公路隧道新奧法施工中必須及時進行監控量測和信息反饋來修正隧道設計參數，以達到“動態設計、信息化施工”的目的[2]，同時也是確保隧道安全施工的重要手段之一。

隧道監控量測過程中按照動態管理量測斷面的信息，正確而經濟的施工，以確保施工安全，實現信息化管理；根據隧道開挖后圍巖穩定性的施工信息，進行數據分析，檢驗施工預設計。把信息反饋給設計，以達到隧道動態設計的效果；檢測數據通過分析處理及必要的計算和判斷，可以預測和確定圍巖的最終穩定時間，分析得出二次襯砌的最佳時機；根據積累的資料及監測成果可以作為類似隧道施工和設計的依據[3]。

1 工程概況

蒙文硯高速公路(蒙自—文山—硯山高速公路)按四車道高速公路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬度為24.5 m，蒙文硯高速公路主線長137.5 km(紅河州境內長48.8 km)，文山聯絡線9.6 km，總投資估算為125.31億元(紅河州境內39億元)。全線共設置特大橋2座、大橋76座；長隧道5座、中隧道4座；互通式立交12處；同時建設包括1處管理中心、2處服務區和6處停車區在內的必要的交通工程、沿線設施。其中，老鷹山隧道左幅樁號為ZK14+830～ZK17+294，長2 464 m；右幅YK14+861～YK17+304，長2 453 m。根據隧址區勘探資料及現場地質素描得知隧道圍巖以灰巖為主。本次計算建模分析計算段采用新奧法預留核心土法施工的Ⅴ級圍巖段(ZK15+940～ZK16+170，YK16+010～YK16+210)。

2 模型建立

2.1 模型建立的參數選取

本文以新奧法預留核心土法施工進行模型建立和分析，采用有限元正分析軟件進行建模，其中材料參數取值見表1。

2.2 模型的建立

通過CAD進行模型初步建立，保存成.dxf文件，然后導入有限元正分析軟件中，導入模型時，需注意在同一位置不允許有重復的線段，盡量不要在線與線相交處出現短線及單位應一致等。預留核心土法開挖根據隧道開挖工序通過有限元正分析軟件總共設計10個施工步。其Y位移云圖如圖1～圖10所示。

表1 老鷹山隧道預留核心土法隧道施工對應的材料參數取值表

2.3 有限元正分析計算結果

根據有限元正分析軟件采用預留核心土臺階法進行建模分析，得出老鷹山隧道該里程段拱頂最大位移下沉量為43.2 mm。拱頂下沉有限元正分析計算統計表如表2所示。

表2 預留核心土工法施工Y位移有限元正分析計算統計表

工序施工步1,增步量1施工步1,增步量2施工步1,增步量3施工步1,增步量4施工步2,增步量1施工步2,增步量2施工步2,增步量3施工步2,增步量4施工步2,增步量5施工步2,增步量6Y位移mm10.920.830.722.12425.226.617.115.814.5-10.7-17.8-24.7-36.5-37.7-38-38.3-39.9-41.5-43.2注:“-”代表拱頂下沉的向下位移

3 回歸分析計算

3.1 現場監測數據的采集分析

在隧道施工過程中，對老鷹山隧道左幅ZK15+940～ZK16+170(共計230 m)及右幅YK16+010～YK16+210進行了拱頂下沉監測(共計200 m)，共設置22個拱頂下沉監測斷面，采用監控量測60 d得到的數據進行分析計算，其中左幅ZK16+120監測斷面拱頂下沉監測點實際累計下沉量最大，最大值S1=40.2 mm。

3.2 通過回歸分析計算

對左幅ZK16+120拱頂下沉監測斷面采用指數回歸方程(S=a×e-b/t)計算，得出拱頂S1點的最終沉降量為40.67 mm。斷面ZK16+120拱頂下沉S1點累計沉降數據統計表如表3所示，斷面ZK16+120拱頂下沉累計沉降曲線圖如圖11所示。ZK16+120拱頂下沉斷面指數回歸方程計算統計表如表4所示。

根據表4數據得出：lna=3.705 5，b=1.388 5；即a=40.67 mm，將a和b代入指數回歸方程S=a×e-b/t中，取t=∞代入S1=40.67e-1.388 5/t，且判定系數：r2=0.993 2；計算得出拱頂下沉S1點累計沉降的最終沉降量S1=40.67 mm。從建模分析計算得出最大沉降量為43.2 mm(根據監測數據采用回歸方程計算最終拱頂下沉變形量為S=40.67 mm)，老鷹山隧道該里程段設計預留變形量為100 mm，處于Ⅴ級圍巖一般～較差地段，隧道預留變形量完全可以滿足實際施工變形。

表3 ZK16+120拱頂下沉S1點累計下沉降數據統計表

表4 ZK16+120拱頂下沉斷面指數回歸方程計算統計表

4 結語

1)實際拱頂下沉監控量測中數據計算最終沉降量將與理論建模分析所得沉降量有所偏差圍巖巖土參數選取有關。2)新奧法隧道開挖，由于隧道爆破瞬間產生應力釋放，在布設監測斷面之前已經發生部分位移，這是導致監測數據與理論模型分析數據偏差根本原因，即通過實際監測數據分析得到的最終拱頂下沉位移值小于軟件建模分析所得的位移值。3)拱頂下沉監測數據的采集受儀器精度和采集人的影響，條件允許時應在拱頂監控量測過程中盡量保持儀器和人員相對固定原則進行監測。