偏压隧道的进洞施工扰动效应及安全监控*

袁 维，傅鹤林，徐 武，2，陈政希

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.江西理工大学，江西 赣州 341000;3.湖南城市学院，湖南益阳 413000)

近年来，随着西部交通建设步伐的加快，工程施工过程中须克服诸多不利因素，特别地，复杂地质条件下的偏压隧道进洞施工给设计和施工人员带来了难度。为此，国内科研人员开展了相关的研究工作，并取得了一些具有实践意义的成果。在偏压隧道施工方面，肖剑秋［1］对公路偏压隧道进行量测与有限元模拟分析;雷金山等［2］针对大跨度偏压连拱隧道现场监测与受力分析;刘小军等［3－5］结合工程实践对偏压隧道施工过程进行了研究;苏永华等［6］对越岭浅埋偏压隧道支护系统承载特性进行了分析。在监控方面，徐林生［7］研究了公路隧道围岩变形监测及其应用;王彦武［8］基于太旧高速公路北茹隧道进行了围岩变形监测;黄成光等［9－10］对隧道施工安全监控都进行了深入研究。

这些成果涉及偏压隧道施工技术和围岩变形机理。但是，由于隧道施工的复杂多样性，还须结合具体工程解决实际的问题。本文拟根据某公路隧道进洞段地质条件复杂且较差的特点，利用有限差分数值分析方法，对偏压隧道进洞施工过程进行数值模拟，研究地层围岩的变形及支护结构受力情况，并结合监控量测手段及时监测地层围岩变形，确保进洞施工的安全。

1 隧道进洞段工程概况

1.1 地质条件

该隧道里程K16+260～K16+290段为隧道进口段，该处进洞洞顶最小埋深约8 m，仰坡坡度为16°。隧道周边围岩为黄褐色强－中等风化砂岩，块状、碎块状，不等厚层，岩层产状为192°∠31°。岩石坚硬较难击碎。岩体不完整，节理发育，产状为355°∠55°，节理张开，延伸超过 20 m，泥质充填，结合程度差。该节理面走向与隧道轴线斜交，对隧道形成偏压。该段开挖后有少量出水。围岩易坍塌，处理不当会出现大的坍塌、冒顶，侧壁经常出现小坍塌。

1.2 施工方法

隧道进口偏压段采用短进尺多循环方式进洞，以机械开挖为主，少量边角采用放小炮的方式开挖，该处围岩等级为V和Ⅳ级，采用台阶法施工。

预支护及初期支护措施为:导向套拱采用4榀I20b工字钢，打设108大棚，初支进行加强，钢拱架采用I20b工字钢，间距为60 cm，锚杆采用25的中空注浆锚杆，长度加长到6 m，并与拱架牢固相连。

2 模型的建立及参数的选取

2.1 模型的建立

考虑最不利条件下的隧道开挖，取进洞模型洞顶最小埋深为8 m，仰坡坡度为16°，建立该隧道进洞台阶法施工开挖三维计算模型，如图1所示。其中，模型尺寸:x方向长度为53.8 m，y方向长度为30 m，隧道前端洞口拱顶埋深为8 m，末端洞口拱顶埋深为16.7 m。上覆土体、围岩及注浆加固区皆采用8节点6面体实体单元，共划分18 480个三维单元体(zones)和 20 560个节点(gridpoints)。

图1 隧道进口台阶法数值模型Fig.1 Tunnel entrance numerical model of step constructon method

图2 初期支护结构模型Fig.2 Early supporting structure model

上覆土体、围岩及注浆加固区本构模型皆采用Mohr－coulomb理想弹塑性模型;超前管棚采用shell单元模拟，钢拱架与网喷初期支护合并采用shell单元模拟，并通过设置不同的shell厚度达到区别管棚作用的目的。边墙中空注浆锚杆采用cable单元模拟，并通过提高注浆区域土体参数模拟锚杆注浆加固围岩的效应。二次衬砌作为强度储备，在此仅考虑初期支护结构对隧道的支撑作用，支护结构模型如图2所示。在参考该公路隧道有关地质资料并结合相关工程经验的基础上，拟定各模拟单元所采用的力学计算参数如表1～4所示。

表1 岩土体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 超前管棚力学参数Table 2 Mechanical parameters of advanced pipe－shed

表3 锚索结构单元力学参数Table 3 Mechanical parameters of cable structure

表4 初期支护结构(钢拱架+网喷)力学参数Table 4 Mechanical parameters of early supporting structure(Steel arch+net spray support)

其边界条件为:模型左右边界约束x方向位移;前后边界约束y方向位移;底面约束全部x，y，z方向位移，模拟固定端的边界条件;顶面为自由面。

2.2 施工工况的模拟

结合现场施工情况，确定该数值模拟计算步骤见表5。第1步～第7步依照施工工序进行开挖及初期支护与锚杆注浆，计算以不平衡力趋于收敛为止。

表5 数值模拟计算步骤Table 5 Numerical calculating steps

3 计算结果分析

3.1 围岩变形分析

为了更直观地了解隧道进口段台阶法施工各步骤下的围岩变形规律，计算时在模型中设置了如图3所示的L1～L5共5条位移变形监测线。其中:L1为距开挖起点8 m处断面地表竖向沉降值;L2为隧道拱顶上方地表沿轴线沉降值;L3为隧道拱顶沿轴线沉降值;L4为隧道拱底沿轴线隆起值;L5为隧道左侧拱腰向净空收敛值。每开挖步掘进4 m求解完成后记录各监测轴线上相应的位移分布，绘制成变形曲线见图4～8。

图3 变形监测线布置Fig.3 Distribution of deformation monitoring lines

图4 监测线L1地表沉降变化Fig.4 Monitoring line L1 of ground settlement

从图4可以看出:距开挖起点8 m处断面地表沉降在隧道中心线附近最大，距离隧道中心线20 m区域内的沉降变化已趋于稳定。随着开挖的进行，隧道中心线附近的竖向沉降值越来越大，呈现漏斗状分布。

图5 监测线L2地表沉降变化Fig.5 Monitoring line L1 of ground settlement

图6 监测线L3隧道拱顶沉降变化Fig.6 Monitoring line L3 of tunnel crown settlement

从图5可以看出:随着隧道的掘进，掌子面附近正上方地表沉降逐渐增大，而掌子面后方地表沉降值仍然继续发展。在掌子面掘进28 m左右之后，初始开挖断面上方地表沉降趋于稳定，其稳定值为－2.79 mm。总的看来，在开挖过程中，隧道上方沿轴线地表沉降保持较小。

通过对比图6与图5的沉降变化曲线可知:(1)拱顶与地表沉降均发生在开挖掌子面附近，两者沉降变化趋势相似，但拱顶沉降值更大，相较地表沉降值增加了约100%;(2)开挖掌子面前后区域拱顶沉降值区别较大，与地表沉降相比，拱顶沉降的变化幅度更趋激烈，这点可从两者曲线变化弧度看出;(3)拱顶与地表沉降皆在掌子面开挖28 m左右趋于稳定，此时拱顶累计最大沉降值达到－3.83 mm。

图7 监测线L4隧道拱底隆起值Fig.7 Monitoring line L4 of tunnel arch bottom heave

从图7可以看出:拱底沉降变化均表现为向上隆起，由于隧道开挖引起应力释放，造成拱底土体向上隆起;拱圈闭合后，由于局部荷载挤压作用，仍有隆起发生，并距掌子面28 m处趋于稳定，最大值达到6.39 mm。从图8可见:在隧道开挖后，拱腰收敛变化首先表现为微小的向净空收敛，随着开挖掌子面的推进，收敛值变化为向两侧外扩，由于上部围岩土体压力通过拱腰处拱圈的向外挤压分散了一部分上部压力，造成拱腰向外扩张增大;在掌子面开挖28 m左右收敛值趋于稳定;在整个开挖过程中，侧壁向内收敛值很小，可忽略不计。

图8 监测线L5隧道左侧拱腰收敛值Fig.8 Monitoring line L5 of left arch tunnel convergence

3.2 支护结构受力分析

图9 初期支护结构受力分布图Fig.9 Stress distribution of early supporting structure

从图9可以看出:(1)支护结构两侧弯矩大致呈对称分布，最大值集中于两侧拱脚处，分布为外侧受拉的弯矩，其最大值为196.2 kN·m，该拱脚处出现了应力集中，主要是由于拱脚处圆弧曲率较大造成受力集中所引起;在拱底区域出现了一定内侧受拉的弯矩，其大小约为拱顶弯矩的2～3倍，最大值为97.3 kN·m，主要是底部土体向上隆起所致;(2)环向轴力(即Nx)皆为受压，拱顶及拱底轴力分布较为均匀，而在隧道两侧拱腰处，轴力达到最大值，其压力为1271.8 kN，主要承受上部土体的竖向荷载;纵向轴力(即Ny)的最大值主要分布于开挖洞口附近，该处隧道初承受来自围岩土体向外的挤压力，而在拱底处承受一定的受拉轴力，其最大拉力值为218.1 kN，由于初期支护结构的整体性防止了支护结构的向外挤出。(3)在拱顶及拱底处剪力值较小，这点从弯矩图即可看出，最大剪力值主要集中于两侧拱脚处，并在拱脚处出现了正、负剪力的交替转换，其最大正剪力值为215.3 kN，最小负剪力值为－218.4 kN，这正是拱脚处弯矩最大的原因。

4 现场监控量测分析

4.1 监测数据采集

针对该隧道进口K16+270～K16+900段施工进行现场监控量测，共布置27个拱顶沉降、净空收敛及地表沉降监测断面。由于监测断面较多且持续时间长，现仅例举典型断面地表沉降、拱顶沉降、以及净空收敛随时间累计变化曲线，分别如图10～12所示。

图10 隧道进口边坡地表监测点的累计沉降－时间曲线图Fig.10 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance slope surface

由图10可以看出:从12月6日—3月13日进口边坡地表最大累计沉降量为2.1 mm，该沉降点出现在JDC－3处，其他测点均小于该值。监测结果表明:隧道进口段边坡地表沉降量均普遍较小，累计量值均在±3.0 mm以内，且变形速率发展极其缓慢。随着进出口段二衬施工逐步跟进，进出口地表沉降均无较明显的变化。说明边坡基本趋于稳定，隧道施工对边坡扰动基本无影响。

图11 隧道进口各断面拱顶监测点的累计沉降－时间曲线图Fig.11 Accumulated ground settlement－ time curve of monitoring points at tunnel entrance sections

由图11和图12可见:从2月25日—4月18日进口段拱顶沉降最大累计沉降值为－19.0 mm，该沉降点出现在K16+469断面;从4月29日—6月10日进口净空收敛最大累计位移为19.5 mm，出现在K16+715断面1－＞3测线。

图12 隧道进口段断面K16+715的累计收敛－时间曲线图Fig.12 Accumulated convergence － time curve of monitoring points at tunnel entrance section K16+715

4.2 与数值计算结果对比分析

通过对比数值计算结果与现场的监控量测结果分析如下:(1)两者在隧道开挖下引起的围岩变形趋势一致，皆表现为刚开挖阶段变形较大，随着开挖及支护的跟进，变形幅度逐渐变小，并最终趋于稳定;(2)数值计算结果认为距离掌子面28 m附近地表及洞内变形趋于稳定，而现场监测显示接近30 d左右围岩变形才趋于稳定;(3)数值计算的围岩变形值大于现场监测值，这是由于计算中只考虑了初期支护的作用，未计入二衬的影响;(4)通过数值计算与现场监测的相互验证，表明该偏压隧道进洞施工及支护方案较为合理，为防止隧道前期变形过大，须确保支护措施及时跟进施工。

5 结论及建议

(1)偏压隧道开挖引起的拱顶与地表沉降均集中于开挖掌子面附近，两者沉降变化形式相似，但拱顶沉降值更大，且拱顶沉降的变化幅度更趋激烈。拱底沉降变化均表现为向上隆起，在拱圈闭合后，逐渐趋于稳定。拱腰收敛变化首先表现为微小的向净空收敛，随着掌子面开挖的推进，收敛值变化为向两侧外扩。

(2)初期支护结构受力大致呈对称分布，在两侧拱脚处存在较大的应力集中，主要是由于拱脚处圆弧曲率变化较大引起，建议拱脚采取连续曲率变化形式。

(3)偏压隧道现场监控量测须密切关注监测信息变化，出现异常情况及时制定或调整施工及支护方案，现场监测结果表明:为防止隧道前期变形过大，须及时跟进隧道初期支护及二衬施工。

(4)数值计算结合现场监测，可以有效地把握隧道进洞动态施工，并为围岩类别调整、初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供了依据。

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