试析山区公路隧道数值模拟施工和现场监测

谢志满

（苏交科集团股份有限公司 江苏南京 211100）

引言

公路是现代化建设的一项重要内容，高速公路更是现代化社会的标志之一。随着经济的发展，山区公路建设是发展的必然要求。隧道和地下空间的使用越来越普及，城市的地下交通就是合理的利用地下空间，缓解地面的交通压力和用地压力。而山区的公路隧道却也是山区公路建设的必要，地理位置偏远，地形复杂，就必须要进行隧道施工保证公路的畅通，山区公路采用隧道，可以改善路线指标，在很大程度上缩短了路程和行车时间，提高了运营效率，促进我国经济的发展，给人们的往来提供了方便。

1 研究背景

1.1 我国的山区公路隧道建设的发展

在我国的1907年中国工程是詹天佑主持修建的铁路中的八达岭隧道是我国的最早的隧道，后来扩展到了交通隧道。那时候，经济水平相对落后，技术也跟不上，主要采用的深挖或者盘山公路。在20世纪我国隧道建设总共才两千多米，发展缓慢，基本上都是短隧道，在21世纪初的时候，经济水平的提高，交通网得到了完善和扩展延伸，山区公路建设也就进入快速发展的阶段，公路隧道建设规模增大，难度也就随着上升。隧道已经由以前的纯人工建设走向了机械化智能化，随着发展，已经形成了独立的隧道工程领域，其中就有明挖法、顶进法、掘进机法等等。后来，经济的快速发展，科学技术的不断研究更新，国家重视基础性的建设，山区隧道是处在地下封闭区域，一旦出现危险，就会造成严重的损失，而且随着隧道的深入建设，其地形也就越来越复杂，在勘查工作无法完成缜密的勘察情况下，就需要采用先进的技术进行现场监控量测，然后进行数据的分析，提高相关施工人员对隧道的施工的研究，确定更加精确的施工方案，包括了施工的安全、施工的进程、施工材料以及事故预防等。新奥法就是我国山区公路隧道应用最广泛的方法，都是以这一方法为指导，新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点采用锚杆和喷射混凝土为支护手段，控制围岩的变形等问题，同时还能够对围岩和支护进行测量监控，指导隧道的施工。其主要的原则可以简单的概括为：充分保护围岩，减少对围岩的扰动；充分发挥围岩的自承能力；尽快使支护结构闭合；加强监测，根据监测数据指导施工。后来，出现了一种隧道施工新工艺，称之为新意法，是通过对隧道的开挖面前方超前核心土的勘察、量测，进行信息化设计和施工，保证设计的完整可靠。在2014年的时候，我国公路隧道建设已经达到了一万多座，而且其中还有特长隧道，这对我国的经济发展有着重要的积极意义。比如其中的陕西秦岭终南山隧道长达18.02km，青海长拉山隧道哈勃已经高达四千多米，我国的隧道建设不光是数量，还有建设规模等都是世界上最高的国家。

1.2 我国山区隧道施工事故分析

山区公路隧道的建设，其中研究的重点就是地形情况，隧道施工的技术以及施工的安全，而且根据调查，我国隧道建设施工的事故发生也是比较严重的，造成了一定的人员伤亡和经济损失，在2012年，湖南的八面山隧道出现了炸药爆炸，造成了20人死亡，2人受伤；在2010年的重庆天池隧道，出现隧道透水，造成4人死亡，4人受伤；在2010年的死擦混呢大巴山隧道，出现塌方的情况，造成了4人死亡2人受伤。这些都是隧道施工阶段发生的事故，所以隧道施工的数值模拟和现场检测有着非常重要的作用。

2 山区公路隧道数值模拟施工和现场监测

2.1 数值模拟施工

数值模拟都被称之为计算机模拟，是山区公路隧道施工信息化的现在象征，他依靠电子计算机的模拟技术，通过数值的计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题研究的目的。数值模拟的一个应用的步奏：①建立反映问题本质的数学模型，也就是反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。②寻求高效率、高准确度的计算方法，随着发展，出现了多种计算方法，包括了微分方程的离散化方法及求解方法、贴体坐标的建立等。③就可以开始编制程序和计算，这一过程是比较复杂的，也是整个里面最重要最占据时间的一个过程，数值求解方法在理论上不够完善，要通过实验来加以验证。④计算完成之后，会通过图象显示出来，数值模拟的水平越高，那么所显示的也就越逼真。

数值模型的内容需要结合实际工程的的情况，就包括了地质报告和实际的地质情况建立模型，就比如某山区，地貌上属于剥蚀中低山区，这一山区的海拔在伍佰伍拾到780多米之间，相对的高差在229m左右，沟谷成U型，植被比较发育。隧道的围岩属于第Ⅳ类，此隧道采用的是复合型支护结构。其中花岗岩、喷射混凝土以及中空注浆锚杆都有特定的黏聚力、摩擦角、弹性模量以及重度等。这里数值模拟建设采用上下台阶施工方法，分析位移的变化，通过图形数值的显示，则可以确定拱顶的位移情况和水平位移情况，该公路采用复合式衬砌，其设计的方法就是最常见的新奥法，刚开始的时候支护是喷射混凝土、格栅钢架、锚杆、钢筋网共同组成联合支护系统，喷射混凝土用C20混凝土厚度20cm，锚杆采用φ25注浆锚杆，长度3.5m锚杆的间距在120cm第二次采用的是C25钢筋混凝土厚60cm，他们共同承受永久荷载，以此来确保隧道结构安全。

2.2 现场监测

山区公路隧道设计和爆破开挖情况，然后对隧道进行地表沉降量测，水平收敛等量测。通过监控测量的具体情况，就可以让其施工程序的安排更加合理，而且还能进行事故的预防，提高隧道施工的质量，保证水道施工的安全。现场监测包括了隧道拱顶沉降监测，隧道洞内水平收敛检测以及地表沉降监测。①山区公路隧道拱顶沉降检测，通过拱顶的位移情况，确定位移的平均速率，根据围岩基本稳定的标准，确定沉降的情况，是否在控制范围之内，确定受影响的情况是否会对施工的安全产生威胁。同时要注意的是，在隧道开挖施工的过程中要持续的进行拱顶监测，确保施工的安全。②山区公路隧道洞内水平收敛监测，主要是通过水平收敛的曲线判断位移的速率，与之围岩基本稳定的标准的比较，是否在控制范围之内，同时也通过曲线情况，确定是否受爆破开挖的影响，是否对隧道施工安全造成威胁。③山区公路隧道洞口地表沉降监测，还是一样对地表沉降曲线进行分析研究，确定沉降的变化情况，是不是会受爆破和开挖的影响，是否会对隧道施工安全造成威胁。

通过数值模拟和现场的监测，比较其模拟和仪器量测的结果，就可以适当的调整参数，选择合理的支护方式，确保施工的安全。

3 风险控制

随着发展，坚持以人为本，人们的安全意识也得到了提高，隧道建设也更加重视施工安全，山区公路隧道建设中，越来越重视隧道数值模拟和现场的监测，数值模拟可以全面的预测隧道开挖的过程，现场监测通过仪器的测量的数据分析，掌握围岩的动态和支护结构的原理，通过模拟测量，就可以恨到的确定施工的情况，预测事故并且及时的做好防预措施。数值模拟和现场监测也是隧道施工合理的一个重要指标。通过模拟监测得出最终的结果，结合现场的实际施工情况，分析山区隧道施工过程中的变形规律，根据模拟数值和量测数据的分析，对隧道施工进行风险评估，并提出相应的措施，调整支护参数，达到优化的目的。

4 结束语

随着山区公路建设的发展，复杂的地质条件下的隧道建设难度增加，在山区公路隧道建设中，有着一些事故的发生，对施工人员的生命安全造成了危险，也造成了严重的经济损失，所以隧道的施工安全，科学合理是当前山区公路隧道建设研究的主要问题。在发展的新时期，科学技术不断的更新发展，其中计算机技术已经应用到了各行各业中，在公路隧道建设也一样。本文主要分析了山区公路隧道建设中，数值模拟掌握施工的整个过程，进行现场监测对隧道拱顶沉降，水平收敛以及地表沉降等数据图形分析，采用最合理的施工方法，确保施工的安全，提高施工效率。