公路隧道施工數值仿真分析及變形監測研究

摘要：隧道施工會造成圍巖變形，影響工程安全，故文章針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程開展現場監測試驗，并選用FLAC 3D有限差分軟件進行隧道典型斷面開挖全過程施工模擬分析，得出結論：由現場監測試驗可知，拱頂沉降與上臺階水平變形規律為先增大，后放緩，再穩定，下臺階開挖對上臺階水平變形造成的波動更大；由仿真計算可知，拱頂沉降與上下水平變形值均增大，上臺階施工至斷面時，變形速率最大，下臺階施工至斷面時，變形值穩定，故需特別注意上臺階開挖時圍巖的狀態；分析數值模擬三測點的最大、最小主應力可知其變化規律基本一致，上臺階開挖影響最大。

關鍵詞：隧道施工；現場監測；FLAC 3D；圍巖變形

中圖分類號：U415.12 A 32 107 4

0 引言

我國地表多山地和丘陵，受到這些地形限制，公路建設中隧道所占比例極大。控制施工時隧道圍巖的變形量是提高工程質量的關鍵，大量學者對此進行了研究。房倩等［1］收集整理了大量山嶺隧道的現場監測數據，系統分析了圍巖變形與圍巖等級、施工開挖之間的關系，根據統計結果提出相應的參考值。羅彥斌等［2］基于現場監測試驗，研究了分部開挖的大跨度公路隧道的圍巖壓力變化，并提出一種新的計算方法。祁文睿等［3］針對軟弱斷層區的破碎圍巖提出“短進尺3臺階7步法”開挖施工方法，并構建了一套圍巖支護和變形監測方案，對于施工災害控制取得了較好的成果。張翾等［4］基于深圳某隧道開挖工程，利用FLAC 3D軟件建模，研究了盾構機施工位置對在建明挖隧道周圍土體變形的影響。于力昌等［5］用有限元軟件模擬施工過程，分析了新隧道施工引發的既有隧道的變形規律和受力特征。陳云騰等［6］運用數值模擬分析了不同施工方法下越嶺特長隧道圍巖的穩定狀態，并與現場監測結果進行對比。本文針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程，開展現場監測試驗，選用FLAC 3D軟件建模，模擬隧道典型斷面施工開挖全過程。

1 現場監測

1.1 監測方案

根據廣西某公路隧道實際工程，每隔 10 m取一個斷面進行監測，布置斷面測線如圖1所示，圖中A點為拱頂沉降測點，B、B′點為上臺階測點，C、C′點為下臺階測點。

拱頂沉降監測如圖2所示，在進行拱頂沉降監測的同時，應當測量周邊水平變形值。監測試驗中測樁的布置至關重要，應當在拱頂軸線處設置能懸掛鋼卷尺的測樁，通過水準尺、水準儀和鋼卷尺來計算相應的拱頂沉降值。一旦發現測樁被埋或丟失，應立刻進行補設，以免出現監測空檔。

隧道周邊水平變形值可以直觀地反映隧道圍巖變形情況［7］，根據變形監測值可計算相應的圍巖變形速率，判斷圍巖穩定性狀態，以供后續施工參考。隧道周邊水平變形值常選用收斂計測量，其值表示隧道軸線兩側同一高度兩測點的相對位移。實際監測時，選擇測樁鉆孔直徑為 40 mm，埋設深度為 30 cm，用水泥固定并設置相應的保護措施。為盡量減小施工對測樁的影響，應當將測點布置在掌子面 1 m以內。

在監測過程中應當詳細記錄監測數據，并及時處理問題，以達到輔助施工的目的。當監測值出現異常或達到設計閾值時，應當加測。

1.2 監控量測及數據分析

施工按照上下臺階法進行，當上臺階施工至斷面時埋設監測所需測樁，距下臺階施工至斷面間隔 11 d，監測總時長為 39 d。典型斷面拱頂沉降、變形速率與上臺階測點水平變形值、變形速率如圖3、圖4所示。

由圖3可知，拱頂沉降在初始監測的 10 d內快速增長；在下臺階施工至斷面時，拱頂沉降出現了波動，至監測 20 d左右波動平穩；之后增長速度放緩，在監測 30 d后逐漸趨于穩定。最終實測拱頂總沉降值為 23.77 mm，變形速率總體趨勢為逐漸減小，最后趨于0。

由圖4可知，上臺階水平變形在初始監測的 10 d內快速增長；在下臺階施工至斷面時，上臺階水平變形出現了波動，至監測 20 d左右波動平穩；之后增長速度放緩，在監測 30 d后逐漸趨于穩定。最終實測上臺階總水平變形值為 18.46 mm，變形速率總體趨勢為逐漸減小，最后趨于0。

綜合圖3、圖4可知，拱頂沉降與上臺階水平變形變化規律基本一致，都在監測前期急劇增大，隨著下臺階開挖至斷面，變形速率放緩，最終變形值趨于穩定。而在下臺階開挖至斷面前后，上臺階測點波動更明顯，故可認為下臺階施工對上臺階測點的影響更大。

2 數值仿真分析

2.1 模型的建立

因現場監測無法對上臺階施工過程的變形進行測量，故選用FLAC 3D軟件模擬其施工全過程，分析其受力與變形特性。該斷面位于軟巖與軟硬巖石接觸段，圍巖節理裂隙發育，巖體多破碎，粘結力差、穩定性差，為Ⅴ級圍巖。現場采用鉆爆法，分上下臺階施工。以上臺階地面中心點為模型原點，x正負向建 50 m模型，y向建 60 m模型，z正向建 60 m模型，負向建 40 m模型。其三維模型如圖5所示。

考慮圍巖的特性，選用摩爾-庫侖模型進行模擬。設置模型四周邊界為法向固定，下邊界為全向固定，上邊界為自由邊界。為提高計算效率，簡化計算步驟，使用圍巖加固取模擬錨桿支護，通過改變彈性模量E和泊松比μ的方式模擬支護后的抗壓剛度。體積模量K和剪切模量G換算公式如式（1）、式（2）所示。模型材料力學參數如表1所示。

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

2.2 圍巖位移分析

考慮邊界效應和開挖進程的影響，取y向為 10 m處的數據進行分析，由于該模型為左右對稱建立，故提取中軸線右側數據即可。

提取相應點位的位移變形數據，可得拱頂沉降值、水平變形值與開挖深度的關系曲線圖如圖6、圖7所示。

由圖6可知，監測斷面拱頂的最終沉降值為 21.63 mm，上臺階開挖至此斷面時，拱頂沉降值為 8.23 mm，約為全部沉降的38%。上臺階施工越靠近監測斷面，該處拱頂沉降速率越大；上臺階施工至此斷面時，拱頂沉降速率最大；隨著后續對圍巖采用錨桿支護措施，圍巖應力釋放，拱頂沉降速率逐漸變小。下臺階施工至此斷面時，拱頂沉降值逐漸穩定。

由圖7可知，在隧道開挖施工過程中，監測斷面的上、下臺階測點處均產生了變形，且兩者變形規律具有一定的相似性。在隧道初始開挖時期（開挖深度＜ 6 m），其變形值為正值，即向隧道外變形，后（開挖深度＞ 6 m）其變形值為負值，即向隧道內變形。上臺階施工越靠近監測斷面，則兩測點的變形速率越大；上臺階施工至此斷面時，變形速率最大；下臺階施工至此斷面時，變形值略有減小，后逐漸趨于穩定。雖兩者變形規律類似，但下臺階拱腳處最終變形值要大于上臺階測點處的變形值。

綜合圖6、圖7可知，監測斷面拱頂最終沉降值遠大于其水平變形值，但其變化規律類似，變形速率都在上臺階施工至斷面時達到最大，后逐漸減小，變形值在下臺階施工至此斷面后逐漸穩定。因此，在實際工程中，應當特別注意上臺階開挖施工。

2.3 圍巖主應力分析

提取相應點位應力值，可得最大主應力、最小主應力與開挖深度的關系曲線如圖8和圖9所示。

由圖8可知，監測斷面拱頂測點處最大主應力隨著開挖深度的增加，先大幅度減小；當上臺階施工至斷面后，有一定增大；當下臺階施工至斷面后，趨于穩定；最終值約為初始值的一半。上臺階測點處最大主應力在初始開挖（開挖深度＜ 4 m）時，略有增大，后迅速減??；當上臺階施工至斷面后，減小速率降低；當下臺階施工至斷面后，其值有所增大，最終趨于穩定。下臺階（坡腳）測點處最大主應力在初始開挖（開挖深度＜ 4 m）時，略有增大，后迅速減小；當上臺階施工至斷面后，減小速率明顯上升；當下臺階施工至斷面后，其值有所增大，最終趨于穩定。

由圖9可知，3個測點最小主應力變化規律基本一致，都在初始階段略有增大，后迅速減小，再有稍許增大，最后趨于穩定。但3個測點的變化節點不同：拱頂測點在開始開挖時，最小主應力值便迅速減小，上臺階施工至斷面后，其值開始增大；而上、下臺階測點則在開挖一段距離后，最小主應力值才減小，下臺階施工至斷面后，其值才開始增大。

綜合圖8、圖9可知，3個測點的最大、最小主應力變化規律類似，上臺階開挖影響最大，最小主應力變化較最大主應力小，上臺階測點變化較下臺階測點大。

3 結語

本文針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程，開展現場監測試驗，為彌補現場監測無法測量在上臺階施工至斷面前的變形，故選用FLAC 3D軟件建立三維仿真模型，以模擬隧道典型斷面施工開挖全過程，得到如下結論：

（1）通過現場實際監測情況可知，隧道拱頂沉降與上臺階水平變形規律基本一致，在監測前期變形值急劇增大，然后放緩，最后逐漸趨于穩定。而下臺階施工對上臺階水平變形的影響更大。

（2）通過分析數值仿真所得監測斷面拱頂沉降與上下臺階水平變形值可知，三者變形規律基本一致；在上臺階施工至斷面時，變形速率達到最大值，后逐漸減小；變形值在下臺階施工至斷面后逐漸趨于穩定。故實際工程中需要特別注意上臺階開挖造成的變形。

（3）通過分析數值仿真所得監測斷面拱頂與上下臺階測點的最大、最小主應力可知，3個測點最大、最小主應力變化規律基本一致，初始期略微增大，后迅速減小，再稍有增大后逐漸趨于穩定。上臺階開挖影響最大，最小主應力變化較最大主應力小，上臺階測點變化較下臺階測點大。

參考文獻

［1］房 倩，粟 威，張頂立，等.基于現場監測數據的隧道圍巖變形特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2016，35（9）： 1 884- 1 897.

［2］羅彥斌，董方方，王傳武，等.考慮分部開挖的超大跨度公路隧道圍巖壓力計算方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2022，41（8）： 1 637- 1 646.

［3］祁文睿，高永濤.公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監測技術研究［J］.公路交通科技，2021，38（11）：88-96，105.

［4］張 翾，呂竟銘，王禮華，等.盾構隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響［J］.公路交通科技，2022，39（8）：166-174.

［5］于力昌，張 鵬，李永靖，等.公路隧道上跨既有鐵路隧道施工影響研究［J］.建筑結構，2022，52（S1）： 3 148- 3 153.

［6］陳云騰，孫振華.越嶺特長公路隧道施工圍巖穩定性分析［J］.公路，2021，66（5）：332-337.

［7］向俊宇.大跨度隧道監控量測及動態反饋信息化施工技術研究［D］.長沙：中南大學，2008.

收稿日期：2023-01-10