分離式隧道圍巖支護穩定性控制探究

高曼

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400）

新奧法技術水平持續提高，已逐步成為隧道工程領域的支撐技術之一，施工期間做好監控量測工作有利于推動作業的開展。以何種方式準確掌握信息并做出反饋，是新奧法施工期間應當重點考慮的問題，要求所得的監控量測信息具有可靠性，以便用于判斷圍巖的質量情況，并給參數的優化提供依據。此外，在計算機技術的支撐作用下，基于隧道的數值模擬分析工作也在大范圍展開，所得結果具有參考意義，將其與監控量測綜合應用后，可提高隧道施工的靈活性，達到保質量、提效率的效果。

一、工程背景

惠州至清遠高速公路位于廣東省中部地區，是廣東高速公路網規劃主骨架汕頭至湛江高速公路的重要組成部分。項目途經惠州市的博羅、龍門、廣州市的從化、清遠市的佛崗、清新、清城等市縣區，是珠三角地區與粵北山區之間過渡地帶的東西向重要高速公路通道，不僅與廣東高速公路網中的仁深、大廣、京珠、廣樂、清連等高速公路連接，也連接國道106線等重要道路，共同構成廣東省中部地區連接東西、貫穿南北的公路骨架網絡。項目的建設可完善廣東省高速公路網絡，加大珠三角經濟區對廣東中部和東西兩翼的經濟輻射能力，對促進社會的經濟發展具有重要意義。

本文圍繞項目TJ11合同段的高山頂隧道工程展開探討。該隧道屬于惠清TJ11標控制性工程之一，左洞1527m，右洞1521m，長度約1.5km。隧道施工過程中，采用FLAC 3D軟件展開模擬分析，根據所得結果探討圍巖在隧道開挖期間隨時間延長而表現出的基本特性，綜合參考現場監控量測結果，通過對比分析數據，對隧道圍巖的穩定程度做出準確的判斷，并以此為依據采取動態化控制措施，減少安全隱患，助力隧道建設工作順利開展。

二、隧道圍巖及支護結構穩定性分析的重要性

受洞室開挖的擾動影響，巖體的原始應力平衡狀態不復存在，圍巖應力較前期發生變化，轉至塑性狀態。此時，塑性區的覆蓋范圍擴寬，洞壁伴有較明顯的位移變化。此外，部分強度偏低的巖石自穩能力不足，所受應力超過自身強度極限后受損，形成裂縫并脫落。為保證圍巖和洞室的穩定性，可設置支護和襯砌結構阻止塑性區的擴展，減小圍巖位移量，使巖體維持在相對穩定狀態。初期支護結構應當滿足承載力和剛度的雙重要求，結構穩定是順利施工的關鍵前提。

在分析初期支護穩定性時，主要考慮的要點包括隧道周邊位移速率幾乎為零，允許存在輕微的位移現象但不可侵入規定凈空；支護結構應維持完整的狀態，不可因裂縫或局部缺陷而導致其失去穩定性，也不可出現坍塌或傾覆問題。在針對圍巖-支護體系的分析中，應當按照經驗判斷→理論分析→數值計算的流程有序推進，提高結果的可靠性，改善施工效果。

三、隧道圍巖-支護體系穩定性的主要判斷方法

隧道圍巖-支護體系穩定性的判斷方法多樣，例如相對位移、位移時間曲線等方法均較為直觀。結合數值模擬結果以及實際監控量測結果，可創建位移時間曲線用于反映圍巖和支護力學行為的特點。在此次關于分離式隧道的分析中，則以位移和位移變化速率為關鍵指標，再綜合考慮前期的隧道地質特征等相關資料，對圍巖-支護體系的穩定性做出準確判斷。

四、數值模型

（一）數值模型的建立

相比于隧道徑向方向的尺寸，軸線方向的尺寸較大。根據該特點，沿隧道軸線方向取單位寬度，將其視為平面應變問題對待。計算區域以洞徑的3倍～5倍較為合適，在分析的模型兩邊均取40m，下部至隧道底部取30m。根據現場地質條件可知，該截面地表無明顯的起伏現象，其對隧道應力分布狀態所帶來的影響微乎其微，因此按水平地表處理。模型左右邊界為水平約束，上邊界為自由地表，下邊界為固定約束。

模型采用彈塑性本構模型，將摩爾-庫侖準則作為破壞準則。

（二）參數的選擇

V級圍巖和上部強風化層在經過現場勘察及室內試驗后，匯總數據并分析確定物理力學參數，初期支護采用各向同性彈性模型和經驗參數。根據節理巖體的特性，錨桿的作用在于連接破碎圍巖，使其恢復完整有利于提高圍巖的綜合性能，提升剛度和抗剪強度。

五、開挖的模擬與分析

（一）開挖模擬

圖1 隧道開挖工序

按先左洞后右洞，上下斷面的順序開挖，施作初次襯砌作為支護結構。具體施工流程為：組織左洞上半部的開挖作業，采取支護措施，維持其穩定性；組織左洞下半部的開挖作業，采取支護措施，維持其穩定性；組織右洞上半部的開挖作業，采取支護措施，維持其穩定性；組織右洞下半部的開挖作業，采取支護措施，維持其穩定性。

數值模擬期間，在左側墻、右側墻及拱頂三處布設測點，以便在開挖期間展開對左洞周邊位移量的監測工作，使用所得結果作為綜合分析的參考依據，具體如圖1所示。

（二）模擬計算結果

經模擬計算可知，在完成開挖支護作業后拱腰至仰拱兩側形成塑性區，覆蓋范圍較大，影響較明顯。此外，創建隧道的位移矢量圖可以發現左右洞周邊圍巖具有相類似的變形特點，均有向洞內發展的趨勢。

水平收斂集中發生于邊墻周邊區域，左洞最大值達到3.77mm，兩邊墻則達到1.81mm和1.96mm。相比之下，以拱底處的沉降最為明顯，為5.19mm；隆起現象集中于仰拱處，該區域的最大量達到4.89mm。

六、監控量測結果及分析

（一）監控量測結果

結合數值模擬結果，選取左洞K151+700斷面，重點對該處展開監控量測工作，測點總量為4個，具體分布在拱頂、右拱腰、左右拱腳。在展開為期1個月的觀測后，匯總期間產生的各項數據，制得位移-時間曲線，如圖2所示。

（二）結果分析

本文重點分析拱頂沉降結果。

圖2 隧道周邊圍巖位移-時間散點圖

回歸分析。經過現場量測后取得的數據具有離散的特性，不可避免存在偶然誤差。為簡化計算，需重點考慮位移u和時間f兩項參數的關系，生成u=f（t）函數，以此為工具實現對位移-時間散點圖的擬合操作。由于測量存在偶然誤差，加之施工期間的擾動性影響，因此形成的散點圖存在不規則變化的特點。在時間t延長之下，接觸壓力u有增加的變化趨勢，且各階段的幅度有所差異，初期增長速度較快，后續長幅較小。經回歸分析后可知相關系數R=99.05%，通過與現場檢測的精度要求展開對比后，可知其達標。由此確定，拱頂的最終下沉量為5.167mm。

對比分析。將確定的數值模擬結果與監控量測數據整合至相同的坐標系內，由此生成位移-時間曲線對比圖。

對比分析數值模擬結果與量測數據，發現兩者具有較顯著的相似性。經隧道開挖作業后，存在較為明顯的拱頂沉降現象；在采取上臺階支護措施后，該問題得到緩解，后續施工期間拱頂沉降速度依然有變化的趨勢，總體呈波浪狀；施工作業均完成后，由于已成型的初支可產生支護阻力，因此逐步恢復至穩定的狀態。根據位移量可知，相比于實測數值模擬結果略大，該現象的出現與數值模擬期間未兼顧二次襯砌結構的作用有關。對于相對位移量，在經過隧道開挖作業后，在拱腰和邊墻兩個區域形成較明顯的塑性區，但無明顯的相對收斂現象，最大為0.07%，相比于隧道周邊允許相對位移更小。

綜上所述，隧道的安全儲備較高，創建的圍巖-支護體系在隧道施工期間可維持穩定狀態；支護參數的設計偏向保守，不利于降低成本，可適當弱化支護參數，并適度推遲襯砌支護時間，有利于釋放圍巖的松動壓力。需要強調的是，數值模擬均建立在理想狀態下，而現場監控量測的環境錯綜復雜，不乏有內外部因素的干擾，因此只要將兩項數據存在的細微差別控制在合理范圍內，該問題可以忽略不計。

七、結語

經數值模擬分析及現場監控量測后，得知圍巖-支護體系的穩定性較佳。有限元數值模擬分析結果表明，隧道施工期間存在塑性區，集中在仰拱兩側和邊墻周邊，拱底處存在最大沉降量，達5.19mm；仰拱處存在最大隆起量，為4.89mm。

以所得的現場量測數據為依據，展開非線性回歸分析，由此確定位移隨時間推移的具體變化特點，再與數值模擬結果對比，得知兩者具有高度的相似性，圍巖-支護體系可維持穩定狀態。

通過模擬有限差分數值，結合現場監控量測，是隧道工程施工中的關鍵分析模式，可較為準確地判斷隧道圍巖的實際情況，具有推廣價值。