基于現場監測和數值模擬的隧道初期支護效果分析

徐劍波， 姜 平， 朱頌陽， 范 銳， 周慶磊， 胡 進

(中國一冶集團有限公司，武漢 430081)

按照新奧法的理論，隧道支護結構設計最為重要的就是圍巖與支護，一般針對不同等級的圍巖，設計會制定相應的支護形式和參數，并在施工中采取有針對性的施工方法[1]。為了能夠讓圍巖變形得到很好的控制，以及進行合理的支護設計，首要的就是明晰圍巖在施工過程中應力應變特征，并據此詳細分析圍巖與支護結構在施工全過程中的相互影響及作用。其中，支護效果的設計結構形式等級及內容直接關乎隧道的結構穩定性，在施工中至關重要。因此，科學合理地分析隧道支護結構的效果，并據此評價隧道結構穩定性，能夠很好地指導隧道施工安全高效的展開。檢驗隧道支護效果的方法有很多，常用的有現場監控量測、室內外試驗、數值計算分析等。

隧道施工監控量測是新奧法理論中非常重要的一個環節，其目的主要是通過現場采集監測數據，并采取有效的數學方法進行處理和計算，并將結果反饋到施工過程中，并對后期施工結構安全及穩定性加以預測，從而有效地保障施工過程的安全及支護結構的穩定可靠。在整個實施過程中，對于現場數據的處理尤為關鍵。中外許多學者積極投身到該領域研究中，獲得了許多優良的方法和理論[2-7]，而應用最多的方法就是回歸分析法，這主要是由其使用簡便且趨勢明顯等特點決定的。周慧[8]介紹了地鐵施工中監控量測方法及數據的分析及預測。陳新年等[9]采取現場監控量測，研究了復雜地質條件下原壩子隧道圍巖的穩定性。

近年來，數值計算方法也被廣泛應用到隧道監測驗證和預測之中，并且獲得了許多不錯的成果。

古成中等[10]對有限元網格劃分方法及原理進行了研究；廖軍等[11]采用數值計算方法研究了隧道開挖穩定性；左清軍[12]采用數值方法分析了考慮圍巖蠕變作用下隧道支護穩定性；田明杰等[13]通過現場監測分析初期支護的受力特征。利用強度折減法量化圍巖強度儲備，對初期支護進行優化，并在實際工程中驗證優化方案的合理性和可行性，為類似工程提供參考。高美奔等[14]結合雅康高速公路周公山隧道，分析背斜核部區域公路隧道變形機理及支護對策，為隧道順利通過沙坪背斜核部區域提供數據和技術支持。王明年等[15]依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道洞群，擬合出沿隧道縱斷面的初期支護位移函數模型及各工況下分段位移占極限位移的比值。李鵬飛等[16]依托宜萬鐵路堡鎮隧道，開展高地應力軟弱圍巖隧道支護結構力學性能研究。宗書合、褚玉勇[17]依托馬灣隧道，采用監控量測及數值模擬等方法對初期支護變形原因進行深入分析，得出，設計參數偏小為襯砌裂損的主因。徐東強等[18]通過現場監測數據與數值模擬進行分析，提出了底部加基礎梁的新型支護體系。

到目前為止，國內外許多學者通過現場監測試驗、數值計算、理論分析，以及模型試驗等手段，對隧道圍巖-支護結構相互關系及效果進行了大量研究，但是針對淺埋偏壓隧道洞口位置方面的研究還不是很多。因此，以沙子塘隧道洞口偏壓段為依托，采取現場監測及數值計算等技術手段，對該位置圍巖與支護結構相互作用關系及支護效果進行了詳細分析。根據監測數據對襯砌進行了力學分析，并以數值計算加以驗證，為偏壓隧道洞口支護穩定性提供了可靠的理論依據。

1 隧道概況及初期支護結構

1.1 隧道概況

研究區為沙子塘隧道出口段，里程為Y1K1+590～Y1K1+675，隧道圍巖為V級砂巖，巖體層理化發育，強風化，風化層厚度較大，結構松散，容易發生大變形、塌方等事故。隧道出口段(Y1K1+655)通過斷層，存在偏壓現象，埋深不足50 m，地面坡度為45°，地表上方存在滑坡隱患。該段支護結構按Vb襯砌設計，具體參數如表1所示。隧道洞口段地貌如圖1所示，可以清晰地看到洞口附近呈偏壓狀態。隧道洞口附近施工如圖2所示。

表1 隧道支護結構類型及參數Table 1 Tunnel support structure type and parameters

圖1 隧道洞口Fig.1 Tunnel entrance photo

圖2 隧道洞口附近施工現場Fig.2 Construction site photo near the tunnel entrance

1.2 初期支護組成及作用機理

隧道的初期支護一般由噴射混凝土、錨桿、剛拱架等構成。新奧法認為圍巖與支護結構應該作為一個整體，支護結構不僅承受圍巖傳遞來的壓力，還會產生一個反作用力作用于圍巖；同時，在錨桿及噴混凝土施作后，能夠提高圍巖內部整體性及強度，進而達到加固圍巖的作用。

2 隧道初期支護效果現場監測評價分析

隧道施工監控量測一方面可以在過程中監測隧道結構變形受力，并能夠根據數據修正施工參數及工序；另一方面，現場動態監測數據能夠很好地指導隧道設計施工，尤其是對隧道施工中結構安全起到了很好的預防作用。

為了研究隧道圍巖與支護結構之間的相互作用及力學特征，在施工現場多個斷面布設了監測預埋件，通過對監測斷面的數據采集并整理分析，準確把握支護結構力學性能及工作狀態。選取能夠代表支護及圍巖受力變形特征的斷面進行分析，具體監測及分析內容如下。

2.1 隧道現場監測方法

2.1.1 圍巖內變形

隧道施工過程中針對圍巖內部的變形監測主要采用的設備是位移計。位移計可以準確地測量出隧道圍巖在不同深度的位移量，據此就能研究出圍巖位移隨深度的變化特征，識別圍巖變形范圍。同時，可以判斷錨桿長度是否能滿足受力要求，并提出合理化的優化建議。

現場采取的設備為多點位移計。在數據分析處理階段，結合設備安裝部位及方法的差異，常假設設備最深測點或者孔口的位置保持不變，計算其他測點的相對位移量。在進行數據處理時，假設設備的最深測點不動。

多點位移計結構如圖3所示。在多點位移計的埋設過程中，1#～4#測點位置的錨頭務必要與孔壁緊緊貼合，這樣才能確保巖層產生位移時帶動各錨頭一起移動。同時，為了便于測量，通過位移傳遞桿(1、2、3、4)將所要測量的位移量引出圍巖外側。

圖3 多點位移計結構示意圖Fig.3 Multi-point displacement meter structure diagram

現場多點位移計測點布設如圖4所示。假設圍巖變形前各測點位移量為Li0，變形后第n次測量的移量為Lin。就可以測量出各點在每次測量時相對于鉆孔最深點的位移量ΔLin=Di-D1。同時，也可以計算出各點的水平收斂及拱頂沉降的絕對值。

2.1.2 錨桿軸力

施工中對錨桿軸力進行動態監測，可以準確地掌握錨桿受力狀態，結合位移監測數據，可以優化錨桿設計參數。現場所采用的量測錨桿為機械式。

機械式量測錨桿結構主要是將4根細長桿置入中空桿體內部，并將細長桿頭桿頭固定于桿體內預定位置。一般情況下，機械式量測錨桿長度不超過6 m，內部測點不超過4個，一般是采用千分表讀取各點間的長度變化，然后除以被測點間距，并乘上鋼材彈性模量，就可以計算出各測點間的應力。這種方法可以很好地了解錨桿的軸力狀態以及各個部分的應力狀態，結合巖體位移測量數據，就可以準確地計算出最優的設計錨桿長度及數量。同時，還可以根據這些結果很好地掌握巖體應力重分布的整個過程。

圖4 現場多點位移計布置Fig.4 On-site multi-point displacement meter layout

2.1.3 鋼支撐壓力

鋼支撐是隧道初期支護結構中重要的組成部分，對于軟巖隧道尤為重要。監測鋼支撐上承受的圍巖壓力能夠很好地判別支護設計合理性、檢驗隧道結構安全性以及為支護結構參數優化提供依據等。研究段采用GYL鋼筋應力計(振弦式傳感器)進行鋼支撐壓力監測。施工過程中，一般是將GYL鋼筋應力計直接與隧道初期支護中的鋼拱架焊接，這樣就可以測定由于鋼拱架變形產生的軸向應力，并進一步分析鋼拱架應力狀態。現場關鍵測點的GYL鋼筋應力計焊接布置如圖5所示。

圖5 鋼拱架GYL鋼筋應力計Fig.5 Steel arch GYL steel stress gauge

2.2 圍巖內部變形監測成果分析

現場實際進行監測的斷面有多個，僅對發生顯著變形的Y1K1+624典型斷面進行分析。由于施工條件的限制，同時考慮測量的便利及可操作性，在該段面左右邊墻布(圖4 中A、E孔)設了監測元件，監測的位移-時間曲線如圖6和圖7所示。

圖6 斷面測孔A的各測點圍巖 內部位移量隨時間變化曲線Fig.6 Time-dependent variation of internal displacement of surrounding rock at each measuring point of section A

圖7 斷面測孔E的各測點圍巖 內部位移量隨時間變化曲線Fig.7 Time-dependent variation of internal displacement of surrounding rock at each measuring point of section E

根據圖6和圖7可以得出，該斷面圍巖在施工過程中產生了顯著的變形，其隨時間的變化特征可大致歸結如下：

(1)施工過程中，監測的左右邊墻附近圍巖的內部變形是隨時間的增長持續發展的，開挖卸荷完畢后并未立馬停止變形。

(2)左右兩側測點不同深度位置的位移隨著時間的增長而增大，變形曲線呈緩-陡-緩的特征，說明圍巖變形開挖初期較小，中期變大，后期又減緩。這與圍巖距掌子面的距離相關，測點離掌子面近，受其約束作用大，隨著兩者距離越來越大，這種約束作用逐漸減弱。

(3)左側邊墻附近巖體內部各測點的位移及其速率都很接近，表明圍巖松弛半徑大于測點深度，右側邊墻附近巖體內部各測點的位移及其速率在1.8～2.7 m范圍內較為接近，其余深度范圍內差值較大，表明圍巖松弛半徑介于1.8～2.7 m。

(4)開挖1～4 d內，各測點圍巖位移突變增加，這與該位置地形結構偏壓及降雨有關。

圍巖內部位移空間特征可大致歸結如下：

(1)隧道開挖后圍巖都產生向臨空面方向的位移，說明卸荷作用及地應力作用對圍巖變形影響很大。

(2)掌子面的推進，測點圍巖變形速率整體呈減小趨勢，說明掌子面對圍巖有很強的約束作用。

(3)圍巖位移量及其速率隨深度增加而減小。

(4)左邊墻各測點位移差較小，最大值僅為2.41 mm，右邊墻各測點位移在1.8 m及2.7 m處相差較大，其余測點基本一致，最大位移差值9.71 mm。

2.3 鋼支撐壓力監測成果分析

對現場淺埋偏壓段的Y1K1+024典型斷面進行監測分析。根據現場實踐經驗和文獻資料，一般受力最大位置為拱腰和拱頂部位鋼拱架，故在監測斷面的左右拱腰及拱頂布設了635#、636#、637#鋼弦測壓儀，監測點的壓力-時間曲線如圖8所示。

圖8 Y1K1+024斷面鋼支撐壓力隨時間變化曲線Fig.8 Y1K1+024 section steel support pressure with time curve

根據圖8可以得出該斷面鋼拱架壓力特征如下：

(1)監測點鋼支撐所承受的壓力值都很大，說明隧道施工過程中，很大一部分圍巖壓力都傳遞到了鋼支撐上。

(2)左右拱腰位置鋼支撐所承受的壓力值要大于拱頂出鋼支撐所承受的壓力值，這是由于拱頂位置的圍巖有一定的松弛現象，使得其對鋼支撐的抗力剛度要小于拱腰部位。

(3)左側拱腰鋼支撐壓力明顯大于右側拱腰，這是由于該位置隧道存在明顯的地形偏壓左右，使得兩側受力不均衡。

(4)各個監測點鋼支撐壓力值隨時間都存在前期增長較快，后期逐漸放緩的現象，這說明前期隧道施工使得大部分圍巖應力產生釋放，作用于鋼支撐上，后期圍巖逐漸趨于穩定，作用在鋼支撐上的壓力也逐漸趨于穩定。

2.4 錨桿軸力監測成果分析

現對隧道監測區段Y1K1+024典型斷面的錨桿軸力監測成果進行分析。根據現場實踐經驗和文獻資料，一般錨桿受力最大值位于拱腰附近，故該斷面只布置了圖4所示的B、D測孔，B測孔各測點B1、B2、B3的埋深分別為2.5、1.5、0.5 m，D測孔的各測點D1、D2、D3的埋深分別為2.5、1.5、0.5 m，量測結果如圖9～圖11所示。

圖9 Y1K1+024斷面B測孔錨桿軸力時程曲線Fig.9 Y1K1+024 section B hole measuring anchor axial force time history curve

圖10 Y1K1+024斷面D測孔錨桿軸力時程曲線Fig.10 Y1K1+024 section D hole measuring anchor axial force time history curve

圖11 Y1K1+024斷面B、D測孔錨桿軸力曲線Fig.11 Y1K1+024 section B, D hole measuring anchor axial force curve

根據圖9～圖11可知，該典型斷面錨桿軸力隨時間的變化特征如下：

(1)錨桿軸力在隧道輪廓線位置為零，隨著圍巖深度的增加，錨桿軸力逐漸增大，再往后又逐漸減小至零，即錨桿軸力呈中部位置大，兩端小的狀態。

(2)隧道左側圍巖內錨桿軸力大于右側，應與地形偏壓相關。

(3)兩側錨桿軸力在前期增長較快，其中左側錨桿軸力2 d達到將近7 kN，右側達到2 kN左右，之后兩側軸力增速逐漸放緩。

3 隧道圍巖支護效果數值模擬分析

為了進一步驗證監測數據分析的準備性，采用有限元法，建立適當的數值模型，分析隧道開挖及支護后，隧道結構應力應變特征，并與前文監測分析進行對比，以此來驗證分析結果的準確性。采用ANSYS軟件進行計算分析。

3.1 單元類型及參數

模型建立中，圍巖及二襯采用實體單元，初期支護采用梁單元，錨桿采用桿單元。圍巖及支護參數主要參照規范及類似工程V級圍巖標準。具體參數如表2所示。

表2 圍巖與結構的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and structure

3.2 計算模型及模擬施工步驟

3.2.1 計算模型的選擇

模擬斷面為Y1K1+024，埋深27 m，二維平面模型如圖12所示。模擬中各個單元參數均按照實際施工采用的設計參數選取，如表1所示。

圖12 有限元計算模型Fig.12 Finite element calculation model

3.2.2 施工步驟模擬

圖13 模擬計算荷載步Fig.13 Simulated calculation of load steps

隧道產生結構大變形甚至發生失穩的地段一般位于低級別圍巖中，本次選取的模擬地段位于出口附近的V級圍巖中。模擬中施工方法為三臺階預留核心土法，與現場實際相對應，這個模擬過程劃分為14個荷載步。為了與前文監測數據進行對比分析，對初期支護進行單獨模擬，二次襯砌作為應力儲備不參與計算。初期支護模擬計算具體荷載步如圖13所示。

3.3 初期支護受力分析

模擬斷面位于隧道出口偏壓位置，初期支護采用Vb型復合式襯砌(偏壓)，模擬是采用60%的應力釋放。計算得出開挖后的結構受力圖如圖14～圖16所示。

圖14 開挖模擬后初期支護彎矩圖Fig.14 Initial support bending moment diagram after excavation simulation

圖15 開挖模擬后初期支護剪力圖Fig.15 Initial support shear force diagram after excavation simulation

彎矩圖14中顯示，初期支護彎矩最大值位于拱腰。左拱腰彎矩最大值為152.6 kN·m，分析認為由于圍巖傳遞到該位置的壓力大，引起該位置支護結構向外凸起，呈現正值；而右拱腰彎矩最大值為-84.6 kN·m，這是由于圍巖壓力引起隧道結構向內侵限。

剪力圖15中，隧道初期支護在拱腰和拱墻處出現剪應力集中，左側拱腰位置剪應力出現最大值為142.0 kN。隧道兩側對比得出，左側剪切力大于右側，與彎矩分布一致。

圖16 開挖模擬后初期支護軸力圖Fig.16 Initial support shaft force diagram after excavation simulation

軸力圖16中，仰拱位置初期支護受向外拉力，其他部位均受到壓力。同時，圖中表明隧道有明顯的不對稱受力特征，初期支護軸力最大值均位于左右拱腰位置，為849 kN和622 kN。

表3數據顯示，無論是現場監測數據還是數值計算結果，都表明隧道監測點的軸力變化趨勢都基本上保持一致，都是左拱腰軸力>右拱腰軸力>拱頂軸力。但是整體上施工現場監測數據要略微大于ANSYS模型模擬數據，這是由于數值計算所取的參數很難與實際完全一致，必然導致兩者結果有一些差異。但是整體上看現場數據與模擬計算數據相差很小，對結果分析產生的誤差很小。

圖17及圖18所示分別為開挖后錨桿軸力及應變分布圖，圖中顯示開挖后錨桿軸力及應變在拱頂及拱腰位置較大，其中左側拱腰為最，軸力及相對應變分別為15.844 kN和15 844。將上述模擬數據與實際監測數據統計對比如表4所示。

根據表4數據結果可以得到以下結論：

(1)監測及模擬的錨桿軸力值很相近，且錨桿軸力呈現左右不對稱的狀態。

(2)各個點的現場監測及模擬的錨桿軸力值中，兩側拱腰位置錨桿淺部位置(0.5 m處)軸力最大，中部位置(1.5 m處)軸力次之，深部位置(2.5 m處)軸力最小。

(3)結合圖16中的數據可知，錨桿軸力從淺部位置往深度位置呈減小趨勢，也表明錨桿軸力在淺部位置達到最大值，隨著埋設深度的增加，錨桿軸力逐漸減小。

3.4 隧道初期支護監測及數值計算成果分析

對現場淺埋偏壓段的Y1K1+024典型斷面進行監測及數值計算分析，具體監測內容包含了 圍巖內部變形監測、鋼支撐壓力監測、錨桿軸力監測。監測結果表明，該斷面左側圍巖變形及襯砌受力明顯大于右側，這與該斷面所處地形產生的偏壓作用關系重大。根據監測結果表明，各個監測數據處于允許范圍內，但為了生產及運營安全，各個點應持續監測，并重點關注隧道左側圍巖及襯砌變形及受力情況。同時，為了提高施工安全并兼顧經濟性，同時充分發揮監測數據的信息反饋作用，在經過嚴格計算后設計中可以考慮適當加強左側襯砌設計參數并減小右側襯砌設計參數，并運用數值計算進行驗證后實施。

圖17 開挖模擬后錨桿軸力分布圖Fig.17 Bolt axial force distribution diagram after excavation simulation

圖18 開挖模擬后錨桿應變分布圖Fig.18 Anchor strain distribution diagram after excavation simulation

表3 各關鍵點初期支護軸力Table 3 Initial support axial force at each key point

表4 各關鍵點錨桿最大支護軸力Table 4 Bolt maximum support axial force at each key point

4 結論

以沙子塘隧道出口段為依托，采取現場監測及數值計算等方法，詳細分析了該位置圍巖與支護結構相互作用關系。研究過程中對典型斷面的圍巖變形、鋼支撐壓力、錨桿軸力進行了現場監測，并分析了各個監測點的受力變形特征，并對圍巖-支護結構作用關系進行了評價。同時，為了進一步驗證數據結果的準確性，采用數值計算手段分析了監測斷面的結構受力變形特征，并與監測數據對比分析，驗證了監測數據的準確性。具體研究結論如下：

(1)現場監測數據表明，圍巖變形-時間曲線呈緩-陡-緩的特征，圍巖變形-空間特征為隨著掌子面的推進，圍巖變形增大，變形速率先增大后減小；受偏壓影響，監測斷面鋼支撐及錨桿受力呈左大右小的狀態。

(2)采用數值計算手段模擬了斷面Y1K1+024開挖后的結構受力變形特征，分析結果顯示，初期支護彎矩最大值位于拱腰，邊墻及拱腳位置略小。隧道初期支護在拱腰和拱墻處出現剪應力集中。

(3)通過對比分析現場監測及數值模擬的圍巖及支護結構受力變形數據，數值計算結果與現場監測數據基本保持一致，說明數值計算模型及參數選擇的正確性，驗證了現場監測數據分析的正確性及必要性。

(4)合理的應用監測及數值計算，能夠指導隧道現場施工，有效地提前預測施工可能遇到的風險，為控制隧道施工期圍巖變形及支護技術提出一定的參考建議。

研究發展了偏壓隧道洞口附近襯砌監測技術，對指導和防止襯砌變形及受力過大引起結構裂損具有重要意義。研究成果對偏壓隧道在洞口附近的監測方法及襯砌設計提供了重要技術和理論支撐，對洞口襯砌支護效果、評價以及后期處治都有很好的借鑒作用。