小净距隧道施工监控量测与数值分析＊

张运良，王昌胜，路 平，李凤翔

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

小净距隧道施工监控量测与数值分析＊

张运良，王昌胜，路 平，李凤翔

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

针对小净距隧道净距小和出口段围岩较差的特点，在进洞施工过程中，严格按照新奥法对其进行监控量测，对洞内掌子面、支护状况、拱顶沉降、水平收敛和地表沉降等项目进行了监测，并对量测数据进行分析;同时建立数值计算模型，对施工过程进行模拟分析。通过现场监测和数值模拟对比分析，得出该隧道围岩变形规律。此结果对变更施工措施和安全施工有一定的指导意义。

小净距隧道;监控量测;数值分析

监控量测技术是现代隧道新奥法施工的重要组成部分，也是信息化施工的重要组成内容之一，通过监控了解围岩与结构的稳定性，了解围岩的变形动态，确保隧道的安全施工［1］。小净距隧道是指隧道间的中间岩柱厚度小于规范建议值的特殊隧道布置形式［2］，小净距隧道的出口段，既有出口段围岩较差的特点，又具有小净距隧道两洞间距较近、中间岩柱薄弱、易失稳等难点［3］。采用小净距隧道不仅能很好地满足特定地质和地形条件、线桥隧衔接方式，而且有利于公路整体线形规划和线形优化，是现在许多山区隧道优选方案［4］。但是小净距隧道两洞间距较近，中间岩柱较薄弱，易失稳，因此对小净距隧道出口段进行监控量测有重要意义:(1)研究地表沉降规律，及时掌握沉降，预见事故和险情，对比小净距隧道先后行洞的地表变化情况，地表稳定需要的时间;(2)研究洞口断面周边收敛和拱顶下沉的变化规律，及时掌握围岩和支护结构的工作动态，判断中间岩柱的移动规律，为支护提供依据，了解围岩稳定需要的时间，同时验证开挖方法的合理性，为及时施作二衬提供合理建议。

以湖南省炎汝高速公路八面山隧道为例，通过对其出口段进行监测，并对实测数据进行分析，及时预报了险情。通过现场监测和数值模拟对比分析，得出该隧道围岩变形规律，对改善隧道施工方法，确保施工安全有重要意义和实用价值。

1 工程概况

八面山隧道出口位于湖南省炎陵～汝城高速公路14标段。八面山隧道出口左线起止桩号ZK56+160～ZK58+520，长2 360 m;右线起止桩号YK56+160～YK58+505，长2 345 m。隧道隧址属于构造剥蚀高中山区地貌单元，地形切割强烈，山坡陡峻，局部为陡崖，山顶圆锥形，山脊线呈波状起伏，多呈不规则放射状延伸。隧道出口端左右洞测设线间距约为16.9 m，为小净距隧道。隧道出口位于斜坡下部，覆盖层薄，地质条件较差，主要由粉质黏土和强风化变质砂岩组成，岩体较破碎，为软岩。

2 隧道施工监测

2.1 地质和支护状况观察

2010年7月25日，八面山隧道出口左线己进洞11 m，右洞此时也开始进洞。洞口己采用φ108大管棚进行超前支护。施工单位根据现场情况，采用上下台阶法进行施工。进洞后即对初期支护、掌子面围岩以及边仰坡进行了详细的观察和记录。掌子面围岩基本为粉质黏土，岩体特别破碎，含水量大，无自稳能力。

2.2 地表沉降量测

八面山隧道出口位于浅埋、软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中，施工时极易发生冒顶、塌方，严重时引起地表下沉。根据现场情况，分别在出口ZK58+498、YK58+484埋设了2个地表沉降观测断面。在每个断面上布置7个观测点，各测点布置如图1所示。

图1 地表沉降观测点布置示意图Fig.1 The arrangement for observation point of ground surface subsidence

2.3 拱顶下沉、周边收敛量测

拱顶沉降与周边相对位移量测原则上设在同一断面［5］，如图2所示。A点为拱顶下沉量测点，其余为周边位移测点，上台阶开挖时用测线2布置量测，下台阶开挖时采用测线1布置量测，且小净距隧道两洞都要同时进行监测，测点尽量布置在同一个里程断面上，便于准确地反映中间岩柱的移动情况。

图2 拱顶沉降和周边收敛测点布置图Fig.2 The arrangement for observation point of vault settlement and horizontal convergence

3 量测结果分析

3.1 地表情况和洞内围岩观察分析

八面山隧道出口在2010年7月18号进洞后，7月25号左洞上台阶已进尺11 m，右洞也开始进洞。虽然洞内支护状况良好，但地表各监测点变化明显，有个别监测点连续3 d变化均超过5 mm/d，且仍在继续增长。同时地表多处发现贯通裂缝，且裂缝宽度较大。由于是雨季，洞内掌子面经常渗水，造成掌子面围岩易软化，极不稳定，同时覆盖层厚度较小，易发生冒顶、塌方，严重时引起地表下沉。根据监测情况，施工单位立即采取措施封闭掌子面，待一定时间稳定后开挖下台阶及仰拱，使初期支护闭合成环共同受力，同时采取洞内注浆措施加固围岩;根据监控数据指导，对边仰坡及中间岩柱进行加固，更换进洞工法，将原来的上下台阶法改为环形开挖留核心土法。最终在监测指导下顺利进洞。

3.2 地表沉降结果分析

将八面山隧道左右洞出口段地表测点累计沉降监测结果绘制成图3～图4所示曲线(图中负号表示下沉或向内收敛，下同)。根据监测结果分析可知:

(1)开挖初期地表变化比较小，但在进洞后出现急剧下沉;

(2)左洞的变化曲线与右洞相似，说明一方开挖对另一方地表沉降有较大影响，特别是越靠近对方的测点变化越明显;

(3)左右洞累计沉降值为各测点中点最大，说明隧道进洞时，正上方是最危险的地方，需要重点加强监测;

(4)左右洞靠近中间岩柱正上方的测点累计沉降变化比较大，说明中间岩柱是较薄弱地带，需要加强支护。

图3 ZK58+498地表各测点累计沉降曲线图Fig.3 The total surface subsidence of each observation point in ZK58+498

图4 YK58+484地表各测点累计沉降曲线图Fig.4 The total surface subsidence of each observation point in YK58+484

3.3 拱顶下沉和周边收敛结果分析

通过对拱顶沉降和周边收敛的监测，能够及时地了解隧道开挖过程中围岩的变化情况，及时地反馈信息，指导施工。图5～图6是八面山隧道左右洞出口段ZK58+514，ZK58+509和YK58+498断面的拱顶沉降和周边收敛监测数据。根据监测结果分析可知:

(1)左右洞的拱顶沉降和周边收敛变化曲线相似，在开挖过程中拱顶沉降和周边收敛值急剧变化，待初期支护闭合后趋于缓慢变化，继续向前开挖后，原闭合段又出现较大变化，等新开挖段初期支护闭合后，前闭合段才逐渐稳定。分析原因，出口段山体推力较大，且出口段位于浅埋、软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中。因此需变换施工工法，将原来的上下台阶法更换为环形开挖留核心土法，且严格控制循环进尺，结合施工辅助措施，对洞内围岩进行注浆加固。

(2)左右洞是交替开挖，从图中可以看出，左右洞在开挖过程中对对方有明显影响，且左右洞拱顶沉降和周边收敛值变化较大。左右洞拱顶累计沉降都超过10 cm，因此左右洞需加大预留沉降量。

(3)左右洞在进洞过程中，洞内收敛是负增长，即向内逐渐收缩。隧道两边不会移动，而中间岩柱较为薄弱有移动趋势，因此需对中间岩柱进行加固。

图5 左右洞拱顶累计沉降时程曲线Fig.5 Schedule curve for the total vault settlement of the tunnel

图6 左右洞周边累计收敛时程曲线Fig.6 Schedule curve for the total horizontal convergence of the tunnel

4 数值模拟

根据现场实际情况，利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立计算模型，计算采用弹塑性模型、平面应变单元进行模拟［6］。模型左右边界设置水平约束，底部为竖直约束。具体计算模型如图7所示。

施工采用环形开挖留核心土法，对位移变化进行分析时，主要考虑隧道拱顶最大位移和水平收敛位移。从数值模拟分析来看，拱顶最大位移为－9.81 cm(如图8所示)，小于现场监测结果;水平方向位移主要集中在两侧边墙，最大位移为－8.08 cm(如图9所示)，和现场监测结果相近。

图7 隧道开挖模型Fig.7 Excavation model of the tunnel

(2)从拱顶沉降来看，数值模拟结果为－9.81 cm，实测数据为－15.42 cm，两者有一定差异，这主要与模拟时所选取的材料参数及相关假设有关。虽然数值模拟所采用的参数均根据工程地质勘测报告和相应规范来选取，但还是与实际工程围岩有较大差距，同时施工过程受到很多偶然因素影响。尽管如此，数值模拟结果比较近似地反映实际开挖过程中围岩变形，得出的围岩变化规律对改善隧道施工方法、提高工程质量有重要的指导作用。

图8 模型拱顶沉降分布云图Fig.8 Distribution cloud for vault settlement

图9 模型水平收敛分布云图Fig.9 Distribution cloud for horizontal convergence

5 结论

(1)通过数值模拟结果发现，隧道开挖时水平收敛变形最大的位置在拱肩，最终收敛量为－6.76 cm;在实际监测中，水平收敛变形为－4.73 cm，两种收敛结果都较小，相差不大，说明数值模拟结果可以用于指导现场施工。

［1］张石宝.广贺高速公路石板尾隧道施工中的监控量测［J］.西部探矿工程，2011(3):170 －172.

ZHANG Shi-bao.Monitoring measurement technology for shi ban wei tunnel construction of Guang He highway［J］.West China Exploration Engineering，2011(3):170－172.

［2］中华人民共和国交通部.JTGF60－2009，公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

The Ministry of Communications of the People＇s Republic of China.JTGF60 － 2009，Highway tunnel construction technical specifications［S］.Beijing:People＇s Traffic Press，2009.

［3］张 煜.高速公路小净距隧道洞口段施工数值模拟及监控量测技术研究［D］.成都:西南交通大学，2007.

ZHANG Yu.Monitoring measurement technology and numerical analysis for neighburhood tunnel of highway［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2007.

［4］余新贵.监控量测技术在小净距隧道出口段中的应用［J］.公路，2010(8):235 －239.

YU Xin-gui.Applications of monitoring measurement technology to outlet section of neighburhood tunnel［J］.Highway，2010(8):235 －239.

［5］李晓红.隧道新奥法及其量测技术［M］.北京:科学出版社，2001.

LI Xiao-hong.New austrian tunneling method and monitoring measurement technology［M］.Beijing:Science Press，2001.

［6］肖剑秋.公路偏压隧道量测与有限元模拟分析［J］.铁道科学与工程学报，2011，8(1):82 －86.

XIAO Jian-qiu.Dynamic monitoring and fem simulation analysis of an expressway tunnel with unsymmetrical loadings［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(1):82 －86.

Monitoring measurement technology and numerical analysis for neighborhood tunnel

ZHANG Yun －liang，WANG Chang-sheng，LU Ping，LI Feng-xiang

(School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

The monitoring measurement was carried out by strict New Austrian Tunneling Method because of smaller space and less quality of rock at the outlet section.The measurement included excavation surface inside the cave，supporting conditions，vault settlement，horizontal convergence and ground surface subsidence，and the measured data were analysed.Simultaneously，numerical calculation model was established in order to conduct construction process simulation.The surrounding rock deformation law was found by field monitoring and numerical simulation analysis.The result has certain guidance for changing construction methods and safety construction.

neighburhood tunnel;monitoring measurement;numerical analysis

U456.3

A

1672－7029(2011)06－0050－04

2011－10－15

张运良(1963－)，男，湖南湘潭人，副教授，从事隧道及地下工程研究和教学工作