礦山法越江隧道結構變形分析及監測平臺應用研究

中圖分類號：U446.2 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.04.026

文章編號：1673-4874（2025）04-0090-05

0 引言

“礦山法\"是山嶺隧道施工的常規方法1，受限于地質勘探難度大、地下水情況復雜、水壓高排水負擔大等問題，礦山法在水下隧道應用的施工難度和風險均遠高于山區隧道[2]。礦山法開挖的初期支撐通常剛度較弱，支護延遲，且地下水的隔離效果不佳，主要依賴排水處理。復雜施工環境常導致圍巖受擾動變形影響大，同時爆破振動易使影響加劇[3。因此，為確保施工安全和質量，對隧道監控和預警提出了更苛刻的要求，需要采用特殊監測技術和有效預測措施。

隧道施工監測與預警是信息化施工的重要環節[4]。利用量測結果和超前地質預報，調整設計支護參數，預見不良地質條件和險情，并指導施工，及時采取措施防止事故發生[5]。結構健康監測是一項新興技術，根據結構在同一位置上不同時間的測量結果的變化，識別結構狀態并實時監測，及時發現結構內部損傷的位置和程度，預測結構的性能變化和剩余壽命，從而做出維護決定6。目前，隧道自動監測及分析預警系統已逐漸被采用。楊建平等采集并分析了武漢長江水下盾構隧道運營期間的健康監測系統數據及響應規律，建立數值模型研究用于回歸及預警的適用性；王芊8設計并建立了觀音山隧道結構健康監測系統，對合龍口的各項指標進行全面監測，實時反映隧道結構關鍵位置的健康狀況；潘紅兵等9針對工程特點，實現了對南京應天大街長江隧道的健康監測系統升級改造。隧道結構健康監測系統可實現襯砌結構受力、變形及地下水位等問題的實時或周期性監測，對隧道開挖、運營期間的安全與維護保養至關重要[10]對于越江隧道而言，頂覆淺埋的施工難點迫切需要一種可及時反饋監測結果并動態指導施工的監測系統[11]。

為此，本文開展了自動化監測系統和預警云平臺的應用，通過傳統方法與數值預測結果的優化分析，建立越江隧道模型，預測各開挖階段不同工況部位的應力分布變化，以優化傳感器的精確布設方案。將自動化實時監測數據與數值模擬預測的參數變化，和傳統接觸式監測數據對比分析，以期驗證監測平臺的實用性和有效性。

1有限元越江隧道模型

1.1有限元參數預測基本理論

為提供安全、高效的施工保障，施工前對可能產生的影響或危害進行詳細的預測或評估是非常重要的。經驗法和分析法簡單實用，但在分析中無法對隧道施工過程進行充分模擬，而數值計算法通常可以取得更符合實際的預測結果。有限元法可以通過建立隧道模型，并按照施工階段進行應力應變分析，同時考慮土壤的相關巖土力學特性，得到更加準確的預測分析結果。

隧道施工為三維動態過程，為客觀分析沉降、隧道結構及周圍巖土體的應力應變規律，宜采用三維模型進行模擬計算。由于實際的工況分析范圍、計算效率及時間成本等問題，通常選取二維模型進行數值模擬。采用平面應變分析法，通過二維平面應變假設模擬隧道特征，可以近似解釋隧道施工的三維效應。二維有限元分析中可近似反映隧道區域內部分掌子面開挖與支護措施實施之間發生的變形，直至支護結構完全加固。

目前，已有文獻提出了多種隧道模型施工的平面應變分析法，如收斂約束法、逐步軟化法、體積損失控制法和Gap法等。其中，Panet和Guenot提出的收斂約束法[2是隧道施工建模中進行平面應變分析的常用方法。該方法通過衰減系數將發生在隧道掌子面的應力變化引入到隧道模型中，其表達式為：

式中： σ_r 一—隧道外圍的徑向應力/ MPa r 一 隧道半徑/m；初始應力 σ₀ 的衰減系數，取值范圍為0～1。λ取決于隧道的幾何形狀、初始應力、土壤性質和隧道工作面無支撐部分的長度等；E 一巖體的楊氏模量/ ΔMPa V- -泊松比；（20號 u_r（x） 一 隧道工作面后 xm 處位移的徑向分量/mm;u^∞ ，一一隧道工作面后無窮遠處位移的徑向分量/mm。

二維隧道模型構建如圖1所示。平面應變問題中，在隧道外圍施加徑向應力 σ_r ，在無支護條件下，徑向應力 σ_r 從初始應力 σ₀ 逐漸減小至零。

圖2為參數入的取值與隧道工作面距離和直徑之比的關系。由該關系可獲得工作面初始應力的衰減系數，適當參數選取后，該方法可獲得較好的模擬結果。

圖1隧道模型示意圖

1.2重點斷面的對比分析

為進一步完善該項目水下隧道的數值模型，融合項目具體地質勘探成果和已有的土層測試參數，根據礦山法施工工法和要求，選取了典型監測斷面，并將各施工階段的拱頂下沉、周邊收斂和應力變化的傳統監測結果與有限元數值預測結果進行對比，優化選取的最佳模型參數。圖3為傳統接觸式監測方法的測點布設情況。以拱頂下沉監測數據為例，與有限元模擬的沉降結果進行對比分析，量化結果繪于圖4。

圖3傳統監測方案監測點布設圖

表1為各個施工階段中傳統監測數據與預測模擬數據的誤差，表2為優化后的覆蓋土參數。表1和圖4顯示，在該參數條件下的隧道模擬結果與傳統監測結果吻合性較好。

圖2參數入的取值變化曲線圖

表1各施工階段中傳統監測數據與預測模擬數據的誤差值計算結果表單位：mm

表2優化后的覆蓋土參數表

1.3 應力分布模擬

采用有限元分析建模，選取三角形網格進行網格剖分。圖5為蓉江四路越江隧道模型，其中上層為江水，下層為中風化基巖，礦山法越江段控制隧道與河底間距 gt; 10m。本次模擬洞頂與土層上邊界距離為10m。上邊界取壓力邊界條件，根據已知施加凈水壓力梯度荷載。圖6為未開挖狀態時網格剖分及應力分布情況，圖7為開挖狀態時各施工階段左上導洞、左下導洞、右上導洞、右下導洞及仰拱支護結構的應力分布情況。

圖5 蓉江四路礦山法越江隧道模型示意圖

圖6模型網格剖分及未開挖狀態時應力分布云圖

圖4傳統監測與有限元預測沉降結果對比曲線圖

圖7開挖狀態時的各階段應力分布云圖

對比分析圖7中各階段應力變化可知，開挖前應力分布受重力影響，呈層狀分布且差值較小；開挖后拱頂、起拱線至邊墻區域應力變化顯著，江底應力分布變化較顯著，其中拱頂應力急劇增大，為應力集中區。有限元模擬預測有效避免了傳統監測方式中測點較少、斷面監測數據不夠完整等難題，為全斷面監測系統的傳感器布設提供了更好的支撐依據。

2在線監測平臺及預警系統設計

2.1傳感器布設

根據有限元預測結果，分析臺階法不同施工階段的應力分布變化，選取了重點監測位置（如應力、沉降等變化最大處）布設傳感器。由于自動化監測設備的傳感器均為理入式設備，各個傳感器的埋設位置及監測參數存在差異，傳感器安裝應與現場施工工序適應。結合本文工程實例，以左上導洞 $$ 左下導洞 $$ 右上導洞 $$ 右下導洞→仰拱施工順序的CD法為例，隧道全斷面監測傳感器分布如圖8（a）所示，各施工階段安裝過程如圖8（b）至圖8（j）所示。

圖8隧道全斷面監測傳感器安裝次序示意圖

2.2在線監測及預警系統設計

2.2.1總體系統架構

該系統由感知層、網絡層和應用層組成，包括數據采集系統、數據傳輸系統、數據處理與控制系統、安全評價和預警系統、可視化系統，通過各層間相互協調，實現系統的各種功能。見圖9。

2.2.2監測項目及預級別

結合本文工程實例，確定了監測項目、監測設備及安裝時間，如表3所示。越江隧道在線監測期為6年，監測頻率可根據人工設置時間段進行采集。默認狀態下各傳感器60min采集一次數據，當發生意外情況或者數據超過限值時，將適時提高采集頻率，例如30min或者10min采集一次，表4為預警級別參考表。

表3自動化監測項目總覽表

表4預警級別參考表

3在線監測及預警系統應用案例

3.1工程概況

蓉江四路越江隧道是江西省首座礦山法水下隧道，位于6度地震區，穿過風化層及巖性接觸帶。暗挖段隧道在江中設置通風孔，結構受力復雜。隧道與通風豎井、工作井連接部位及淺埋部位是薄弱部位，應進行必要的監測。該隧道健康監測系統通過現場埋設的傳感器，監測水下隧道特殊地段隧道結構的變形或受力變化，并在隧道竣工后持續監測服役情況。光纖通信網絡將傳感器數據傳至控制系統中心，實時計算分析以確定隧道受力特點和安全性能。

3.2自動化監測系統建設

根據越江隧道結構特點和規范要求，對蓉江四路越江隧道洞身結構段的三個典型斷面進行重點監測，監測方法同時采用傳統人工監測與自動化監測。三個典型斷面分別位于隧道與通風豎井、工作井連接部位以及隧道淺埋部位，每個斷面均包含8個監測參數、6種監測傳感器，詳情如表5所示。

表5監測斷面傳感器布設詳情表

3.3 監測數據分析

分別記錄傳統接觸式監測和有限元預測的地表沉降，與自動化在線監測沉降值進行深入比較，圖10為三種方法沉降值的對比結果。由圖10可知，預測模擬的最大沉降值為 10.6311mm ，傳統方法及自動化監測方法的最大沉降值分別為10.1mm和 10.3mm ，預測與實測數據的相對誤差分別為 5.26% 和 3.21% 。兩種監測方法的實測沉降值與有限元預測沉降值的變化走勢基本一致，且三者最大的沉降位置相同，驗證了自動化在線監測可以準確反饋沉降趨勢與沉降值，進而指導精細施工。比較各測點的模擬數據與自動化監測數據的沉降相對誤差值，結果如圖11所示。由圖11可知，最大沉降點附近的相對誤差較小，但遠離隧道中心的兩端位置處，相對誤差較大。結合圖10中的沉降結果可知，該分布結果因沉降曲線兩端的沉降實測值接近于零，從而放大了相對誤差。

圖9自動化在線監測系統及預警系統整體架構圖

圖10三種方法的沉降值對比曲線圖

圖12為西線 WK1+390 斷面右側1m和3m處位移計的監測數據，對該斷面從仰拱開挖至二襯澆筑后28d的長周期數據進行對比分析。由圖12可知，兩個監測點處的變化規律基本一致。其中，初支開挖階段及仰拱開挖階段，周邊位移的監測結果處于動態變化過程，施作二襯后期，周邊位移的監測結果明顯有序逐漸穩定。圖13為東線 EK1+520 斷面右邊墻內側采用三種方法測得的二襯內力應變-時間曲線，結果顯示應變變化趨勢基本一致。自動化監測方法依靠更高的監測頻率，共采集到19919個監測數據，較精細地反映了應變隨時間的變化規律。

4結語

本文依托蓉江四路越江隧道工程，開展了基于自動化監測及智能預警平臺的沉降位移和結構變形研究。結合健康監測編制原則及依據，制定了蓉江四路越江隧道的自動化在線監測方案，分析了不同開挖階段的監測數據，重點討論了傳感器布設、監測項目、系統架構等關鍵環節，結論如下：

（1）開展了基于有限元法模擬的應力分布與沉降預測試驗，并與傳統監測法進行對比，預測結果與實際情況吻合度高，優化了跨江隧道模型參數，為指導隧道信息化施工提供支撐。

（2）利用數值模擬結果，結合該隧道工程特點，明確了不同監測項目的安裝方案和技術要求，確定了各傳感器具體安裝位置及時間節點，實現了越江隧道結構健康狀態的自動化動態實時監測，為類似礦山法水下隧道工程施工監測提供有用參考。

（3）相比于傳統監測，自動監測預警平臺可在隧道運營期對結構進行長期健康監測，以便及時掌握結構狀態，判斷結構可靠性，并采取相應措施，使隧道工程處于良好可控狀態。

圖11各測點有限元模擬與自動化監測沉降數據相對誤差百分比柱狀圖

圖12西線 wκ1+390 斷面位移變化曲線圖

圖13二襯內力應變一時間曲線圖

參考文獻

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