隧道施工中现场监测与分析作用的探讨

2010-06-15贺鹏飞

城市道桥与防洪 2010年8期

贺鹏飞

［湖南省隧道工程总公司（湖南省地矿局四一四队），湖南益阳 413000］

0 引言

浅埋偏压隧道在设计与施工时必须采取相应的方法进行防偏压处理。在该隧道设计时对施工方法只是简单地提及而没有进行对比研究，这样无形中会加大施工成本，造成施工中不安全因素的增加。本文以某公路隧道为例，对施工过程中的监测资料进行分析，提出了适合该隧道的施工方法；同时，采用数值分析的手段，对该隧道可能采用的施工方法进行了计算分析，从受力的角度提出了最佳的施工方案，为以后类似工程的设计与施工提供了依据。

该隧道的设计施工方法为“CD”施工方法。考虑到施工工期及经济因素，拟对进口段采用正台阶施工方法进行试开挖并进行施工量测。通过对量测数据、施工进度、经济条件等因素的综合分析提出最终适合于该隧道的施工方法。

1 监测数据分析

根据现场条件及一般隧道的监测内容，该隧道的主要监测项目为：周边位移量测、拱顶下沉量测、地表下沉量测、钢支撑内力量测和锚杆轴力量测。各元件的具体布置见图1所示。

1.1 地表下沉

图2为地表下沉的监测结果。从图2中可以看出，当围岩开挖历经20 d之后，其地表下沉基本上就处于稳定状态，而此时掌子面已经推进了将近100 m左右。上述情况表明：该断面的地表沉降经过20 d以后基本完成，可以进行下一步的工作。

1.2 收敛变形

图3为量测断面上台阶开挖30～97 m的收敛变形曲线，量测时间共45 d。在上台阶开挖过程中，收敛量在3 mm以内，说明在上台阶开挖过30 m时，围岩的大部分应力已经释放，围岩的位移大部分已发生。水平测线AC数值最大，表明隧道侧压力比竖直压力大，其中的主要原因可能是隧道左侧成拱效应比右侧成拱效应差，因此隧道左侧受到更大的围岩压力。

1.3 拱顶位移

图4为上台阶开挖后典型断面拱顶实测位移曲线，该断面围岩主要为炭质板岩，属于Ⅲ类围岩，围岩较破碎。

通过对测量线进行拟合可知:

（1）最终位移 u∞=38.83 mm，该值较大，这主要是由于该断面所处围岩比较破碎，且节理裂隙较发育。但在第6 d时，位移即为33.43 mm，已达到最终位移的81%，这说明围岩很快趋于稳定。

（2）当 t=16 d时，位移速率为0.1 mm/d，以后随着时间t的增长，位移速率将越来越小。

1.4 钢支撑内力

所选取的典型断面，其主要围岩类型为泥岩，属于Ⅲ类围岩。量测结果如图5所示。

从图5可知，内力变化曲线在时间上可分为4个阶段：其中上台阶开挖后数据曲线形成了急剧增大→缓慢增大→趋于平缓，这Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段；下台阶开挖后形成了第Ⅳ阶段。下台阶开挖后，钢支撑左右两侧的内力变化并不一致，说明钢支撑所受的左、右两侧的压力并不相等。

由于各部位内力变化在上台阶开挖后基本一致，因此可以对其中某个部位的内力变化进行分析，从而得到一般的规律。现选取钢支撑内层的左侧部位，经分析其内力最终值为2.393 kN；在L=50 m时，为1.56 kN，占其最终值的65%；在L=100 m时，为1.93 kN，占其最终值的81%，可见内力的大部分在上台阶开挖后50 m内产生。

1.5 锚杆内力量测结果

锚杆内力量测结果见图6所示。从图6可以看出，围岩变形超过20 d之后，其变形基本处于稳定状态。在最初的一周之内，其变形发展是最为显著的时期，过此之后，其变形将逐渐趋于稳定。因此，围岩开挖之后的初始阶段是值得注意的时期。

1.6 施工方法调整

鉴于实测的位移、支护结构的轴力较小且收敛较快，因此将原设计中采用的“CD”法开挖并辅助超前锚杆支护的施工方法变更为采用台阶法开挖的施工方法即可满足要求。

2 数值模型的建立与计算参数的选取

为了更好地了解在不同施工方法下偏压隧道的受力变形规律，以便从隧道受力变形的角度寻找出这种隧道的最佳施工方法，在本文中采用数值分析的手段，对该具体工程进行建模分析。

数值模型的建立：根据不同的施工方法建立的数值模型如图7所示。为节省篇幅，在本文中只列出CD法开挖的网格剖分图。

计算参数的选取:综合《工程岩体分级标准》（GB50218-94）、《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)、《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）等资料对各类围岩物理力学参数的取值情况，取各类围岩中值作为岩体的计算参数。对锚杆与型钢拱架材料参数则根据实验结果取舍。

3 计算结果与分析

表1、表2分别为采用数值模拟得出的几种不同施工方法下隧道周边与地表最大位移、隧道周边最大围岩应力。而锚杆轴力和钢支撑内力由于受篇幅限制，在此不再一一在表中列出。

表1 不同施工方法下隧道周边与地表最大位移统计表(单位：cm)

表2 不同施工方法下隧道周边最大围岩应力统计表

从计算结果可以看出，不同施工方法下偏压隧道的受力存在一些共同点：（1）拱顶部分的锚杆与钢支撑在不同的施工阶段受力都很小。（2）完工后受偏压较大的右墙所承受的围岩应力最大，而且拱脚与墙角往往都是应力集中的地方。（3）锚杆与钢支撑的受力在施工中间阶段往往是右侧受力稍大，而完工后则左侧稍大。

但也存在一些不同点：（1）在位移方面，CD法无论是拱顶位移、地表位移，还是侧墙位移都小于全断面法与台阶法；台阶法在中间施工时的各项位移都小于全断面法，完工后除左墙位移外，其余也比全断面法施工的位移小。（2）锚杆所受轴力、钢拱架所受轴力和弯矩以全断面法施工最大，台阶法次之，CD法最小。

根据以上分析可知，在偏压隧道中，要优先采用CD法进行施工，如施工断面较小，偏压不大时，也可采用正台阶法施工，一般情况下不要采用全断面法施工。此外，笔者在采用CD法施工模拟时计算了两种开挖方法，一种是先右后左；一种是先左后右，结果表明，前者无论从受力变形大小、收敛时间长短均优于后者。因此，可以推断：在采用CD法进行施工时应从偏压较大的一侧开始施工。