高速公路偏压隧道洞口偏压段实时监测模型分析

杨 帆

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

随着我国经济水平不断增长，交通建设水平和速度已经难以满足经济发展的需求。我国的交通修建工程主要包含路基、桥梁、隧道等项目，隧道作为地层中主要的交通建筑物，随着科技现代化的发展，其工程已经成为我国现代基础设施建设的重要组成部分[1]。

我国丘陵地区在高速公路的修建过程中常常会出现偏压型的隧道，此类隧道在修建的过程中需要考虑岩体稳定情况与技术手段因素。目前我国主要应用数值模拟的方式进行偏压隧道偏压段技术性与稳定性的研究，通过建立相关隧道洞口的数据三维模型对不同状态的偏压隧道洞口施工进行模拟计算与指导分析，采用数值模拟的方式还能够应用相关公式进行更深层次的隧道修建工程预测。对于软岩层结构的偏压型隧道进行数据模型构建同样需要应用偏压隧道洞口的数据进行建模分析，因此在隧道的偏压段进行施工与建成后的运行中需要实时获取隧道洞口偏压段的数据，方便其他模型的构建与分析。

为此，本文将对高速公路偏压隧道洞口偏压段实时数据进行监测模型构建，以满足隧道工程在修建以及运行过程中的数据需求以及相关数值模拟。

1 岑溪大隧道洞口偏压段实时监测与数值模拟分析

1.1 施工方案

本文采用岑溪大隧道洞口为实验监测模型。该隧道位于西南部丘陵地带，属于构造性断裂块隆起区域，地表岩层自上而下，分别是碎石黏土、砂土风化凝灰熔岩和碎块状风化凝灰熔岩。隧道全长950 m，净高10.3 m，宽度为15.2 m，在洞口左侧地区有地下水渗出情况[2]。

在修筑隧道初期需要挖开坡体地区的部分土石，建造隧道初步模型，因此会导致坡体上方的土石构造发生形变。随着坡体不断开挖，甚至会造成局部坡体滑落或坍塌等状况，地表也会因为坡体结构变化、地下水冲击产生开裂或滑坡等问题[3]。因此，为满足后期隧道施工顺利完成的需求，需要采用坡体注浆方法对隧道洞口偏压地段进行加固，防止坡体坍塌，提高隧道结构的稳定性[4]。

边坡加固需要用计算机运算程序对隧道洞口偏压部分的结构、地质特征等因素进行分析，考虑岩石坡体的滑动情况、支撑强度以及自然状态下土层滑动方向和速度等信息，然后依据地质工程学相关知识，为偏压地区的加固防护工作提供专业的技术指导[5]。

施工前要运用计算机三维建模系统对施工坡体和隧道结构进行模型构建[6]。计算整体监测空间的存储范围，设置范围查询监测计算模型如图1所示。将隧道初期防护网混凝土和钢管支架结构建立二维的平面模型，以坡体横切面为模型主体，横向延伸90 m范围，竖向高度取3 m，使模型左右两侧受到水平限制，坡面可定义为自由边界区，在规定自由区域后，对其内部受力状态进行解析，并构建内部受力状态图，如图2所示。

图1 计算模型图

图2 内部受力状态图

隧道偏压地段的加固防护措施分为三种，根据偏压状况采取不同的加固措施：

(1)工况1：采用坡面挂网喷浆和砂浆锚杆做坡面支护。在坡面铺设钢筋网，喷射厚度大约为10 cm的混凝土，然后在坡面的垂直方向打入3 m长的砂浆锚杆。这种方法最经济实用，但对坡体的加固效果较差。

(2)工况2：以坡体注浆为加固支护的主要方式。在需要加固的偏压地段的坡体表面钻出直径为60 mm的孔洞，每隔2 m一个，孔洞深度大约为9 m。用直径为50 mm的长钢管将C20水泥注射到坡体内进行加固，注射压力约为3 MPa，能够使水泥浆液在坡体内扩散半径为1 300 mm左右。这种方法适用范围比较广泛，但缺少骨架支撑，加固效果仍不理想。

(3)工况3：和工况2的操作类型相似，通过在偏压段垂直打入14根10 m长、直径为100 mm的钢管，再通过钢管对坡体注射C20水泥进行加固。这种注浆方式能够加固岩石土体，嵌入底层的钢管也能够加固岩石结构，固定坡体位置，稳定性更强，更有利于后期的建设。这种方法相对来说加固效果更好，有骨架支撑更稳定，但成本较高，对经济水平要求高。

通过对勘测情况和测量数据的分析，能够计算出三个工况对坡体稳定程度的安全系数：工况1的安全系数未达到规范中的1.4安全系数要求标准，不利于隧道施工的开凿和搭建；工况2的安全系数比1.4的要求标准高出0.8%左右，但仍旧无法达到施工方案的安全预期目标；工况3的安全系数相对于工况2提高了18.3%，这说明工况3的钢管注浆加固方法比工况2更有效，更能提高对坡体偏压部分加固的稳定性。因此，对于岑溪大隧道洞口偏压段的施工防护方案应选取工况3的加固方法[7]。

1.2 实时监测与分析

在隧道洞口偏压段施工的同时，还要同步进行实时监测。在使用工况3方案对偏压段坡体进行支护加固过程中，在坡体表面布置监测点，从隧道底部到坡顶垂直均匀布置10个观测点；在隧道顶部拱状部位，以最高点为中心向两侧扩散，间隔4 m共布置7个观测点。

在对偏压段坡体开始进行支护加固时，隧道开挖工程也逐步开始，各个监测点对每日的隧道开挖工作和坡体加固工作进行监测，工作人员记录监测数据，并完成汇总和分析。从记录数据可以看出，隧道开挖前期顶部监测点位移变动较大，表明此时间段偏压地段加固工作仍未完成。随着时间推移，垂直向的监测点变化不大，顶部监测点在隧道开挖工程后期位移程度逐渐减小，形变趋势逐渐趋于平缓。由此表明，工况3方案对隧道偏压段的加固工作完成效果很好，钢管锚杆对岩石土体的固定效果较好，注浆之后土体之间也得到了较强水平的加固，使整体结构更加稳定，并设置防护支架，利用支架的性能提升整体稳固水平。

隧道开挖期间由于坡体上方加固工程的进行和部分坡体下滑，导致隧道顶部观测点受到挤压，观测点位置水平下降，而分布于顶部两侧位置的观测点却相对上升[8]，并随着隧道开挖和加固工程的不断进行，顶部两侧观测点位移程度呈不同幅度的起伏，越靠中间顶部位置的观测点位移程度越大。根据数据分析，观测点位移大部分呈现垂直方向的上下位移，最终最顶部位移变化呈沉降状态，沉降值大约为16 mm。而隧道顶部两侧观测点位移变化不大，在最靠近坡体下滑偏压部分的观测点位移最大值为5.2 mm，越靠近加固区域的观测点位移变化越小，变化趋势越稳定。

由此可见，在隧道开挖之前对坡体下滑和隧道偏压地段采取有效的加固措施，能够对整体隧道建设工程起到很好的固定作用，不仅在一定程度上节约了隧道施工的整体时间，而且有效地提高了隧道和坡体结构的稳定性，同时也减小了安全事故发生的可能性，为整个工程的顺利进行提供了安全保障。另外，也证实了钢管注浆加固方法更适用于不稳定的坡体滑动和隧道偏压段的加固工作，不过这种方法也会受到地下水流动状态的影响，对于这方面局限在后期会进行进一步的研究实验。

1.3 实时监测的数值模拟分析

本文数值模拟分析操作利用数值模拟软件进行数据检验，按照不同的洞口偏压段实时监测数据掌握基础监测信息状态，及时调整与偏压段不相符的数据信息，并根据偏压段的地形特征以及操作结构进行系统数值管理与研究。利用有限元强度分析方法对洞口的偏压段进行有效分析，同时匹配与偏压段信息相关度较大的阶段数据。在施工环境中对隧道底层岩土的结构进行分析，判断其影响因素与岩土层间的关系，并根据分析的关系进行洞口偏压段监测信息管理操作，计算整体隧道的操作信息，并构建数值计算简图(如图3所示)。

图3 数值计算简图

利用偏压段反应云图调整监测位置，并标记检测位置点，按照标记的节点坐标查询相应的监测方位，记录洞口滑坡走向，并对安全系数进行总结。同时，标记此时的坡体稳定性，并控制稳定性数值处于可操控范围内。对隧道边缘坡体监测角度进行调整，同时检测调整的角度位置，并按照相应的角度位置进行信息调配，执行指定任务指令，获取相应的角度调节参数。对隧道边缘的坡体土层进行含量检验，利用计算模型构建节点平面二维显示图单元，在隧道的入口处设置一个单独的监测口，并利用网喷混凝土以及钢架拱桥搭建一个数值等效模拟体。模型的计算范围设置在平面x轴方向上，将整个计算模型的底部作为整体数值计算的中心空间，在平面y轴方向上取40 m，并定义隧道边缘通道口为计算边界，约束公路偏压隧道内部的监测操作。根据设定的自由边界对偏压段左右两侧的方位数值信息进行检验。构建隧道边缘坡体防护支架结构图如图4所示。

图4 隧道边缘坡体防护支架结构图

根据图4对隧道坡体进行注浆操作，浇灌混凝土材料，在钢管灌注区域利用钢管向坡体表面浇筑C20混凝土，同时对混凝土的加固条件进行数值计算分析。根据计算所得的数值调整加固操作，结合相关的加固理论匹配加固算法，确保监测过程的安全可靠。

执行监测指令，将指令信息由坡体边缘传导至土体外层，同时选用计算模型对传导的条件参数进行设定，由此达到数值模拟分析的目的。

2 岑溪偏压隧道洞口偏压段实时监测有限元模型的建立

利用处理后的隧道洞口偏压段数据进行检验模型的构建操作，根据模型模板的土体覆盖程度判断该区域的检测难度。设置锚固柱，将锚固柱固定在监测边缘区域，防止因监测监控漏洞产生的监控失误现象。

选取土体与支撑护架结构相近的模型参数，及时转变参数的数量，控制模型参数的数量在500～1 000之间。布置边缘隧道防测点，加强对边缘区域的管理力度，并维护边缘区域的安全。采用监测装置对监测到的目标进行集中性检验。选择与检验的洞口需求相近的监测位置，在获取精准的位置信息后，标记此刻的模型模式，并记录模型参数，以备后续研究操作。构建模型结构图如图5所示。

图5 模型结构图

在隧道洞口进行坡体保护式脱离，将监测点的唯一数据进行数据解析，对测量点的起始位置进行模型构造查询操作，根据查询的结果调节内部机制。随着测点的位移路径，在完结以上操作后，对控制的模型进行结构整合，将不属于系统研究操作的模型部分进行调整，收集隧道挖掘信息，将信息功能与监测数据共同收录至传播系统中，等待有限元模型的结构传输。

当完成基础有限元数据收集后，由于测点将会随着土层的移动而移动，在进行测点设置的同时标记测点状态，根据不同的状态参数获取实时监测的结果数据。对比阶段测点的存储方式，对阶段测点的存储空间进行查询，并按照不同的空间数据存储要求进行测点合理存储操作。同时加强对存储的管理力度，避免因存储问题导致监测数据的精准度过低，进而影响整体监测水平。

在隧道开挖期间，对监测区域的测点位移状况进行检验，并对隧道内部的干扰因素进行分析与排除。由于监测环境对检测的影响程度较大，为此，在进行有限元模型构建的同时需不断关注隧道洞口的路面，清理与实时监测无关的记录数据。

在不同的施工环境中，不同的有限元位置模型具有较强的操作能力，验证有限元模型的操作可靠性，并根据可靠性参数判断整体监测的结果数据。由此，实现整体模型构建研究。

3 实验与研究

经过对以上模型建立研究，对构建的监测模型进行了性能检验，并设置对比实验，在相同的实验环境下对比不同监测模型的监测效果。

本文实验环境隧道全长为3 750 m，主洞长度为1 800 m，隧道所在地山脊高度为3 000 m。主洞选用上下洞口形式，减少周围地形对洞口的压力，消除边界效应的影响，并根据不同的洞口形状进行洞口模型调节，将洞口的形状模型数据编辑到参数整合信息库中，等待后续实验研究的处理，同时对岩石的安全性系数进行监测，总结岩石完整性与岩石质量间的关系，设置关系图如图6所示。

图6 岩石完整性与岩石质量关系图

针对相关性较强的隧道结构数据的采集要求，将符合采集要求的数据全部录入过滤系统中，首先经过系统的初始过滤，在滤除与操作无关的系统数据后，调整此时的洞口检验装置，将摄像头装置安装在距离洞口地面5 m处，以监测洞口为中心，周围监测点连线为半径，划定监测范围，并控制监测范围内部的隧道数据，将隧道的整体信息全部收集至监测空间中，等待监测操作的开启。获取监测的结果信息，并根据取得的信息进行实验对比操作，检验不同模型收集信息的误差率，构建误差率对比表如表1～3所示。

表1 模型数据接收误差率表

表2 基于数值模拟分析的模型数据接收误差率表

表3 传统基于岩石分级的模型数据接收误差率表

由表1～3可知，本文高速公路偏压隧道洞口偏压段实时监测模型的数据接收误差率均小于其他两种传统模型的误差率。该结果表明，本文模型具有良好的数据接收能力，能够精准掌控洞口偏压段的基础信息，便于后续研究操作。由于本文模型在构建的过程中对于洞口的基础施工状态进行了较为细致的解析，并根据施工状态判断洞口所处的基础状况，按照洞口的信息图像收放装置监测偏压段的基础信息，提升了数据收集的精准程度，并完善了内部数据转化的流程，进一步增强了整体模型的初始数据收集能力。

在完成首次实验对比后，利用构建的模型信息进行二次实验研究，对比各模型的监测准确度。

选用相同的公路路段，在公路周围标记模型的存放位置，并加强对路段的障碍清理操作，执行相关的清除指令。同时，扫描周边区域的地理信息，排除影响性较大的洞口干扰因素，对监测的画面进行扫描，直至获取清晰的图像，并根据获取的图像信息，整理模型监测的精准度。设置精准度结果对比图如图7所示。

图7 监测精准度对比曲线图

由图7可知，本文高速公路偏压隧道洞口偏压段实时监测模型的监测精准度均高于其他传统监测模型。造成此种差异的主要原因在于本文对于有限元模型的构建流程较为集中，且分析了不同条件下的模型构建基础状况，并针对不同的模型适应角度展开研究。根据获取的模型构建数据，整理监测模型结构，并按照相应的模型处理方式加强对监测模型的装置管理力度，具有良好的数据存储功能，能够在复杂的地理环境中使用，可靠性较强，应用范围广泛，模型的匹配度较高，由此，其监测的精准程度较高。

综上所述，本文高速公路偏压隧道洞口偏压段实时监测模型具有较强的可操作性，能够在不同的环境下进行监测，进一步增强了整体模型的监测性能，具有较为广阔的发展空间。

4 结语

综上所述，本文高速公路偏压隧道洞口偏压段实时监测模型具有良好的监测效果，能够在不同的隧道洞口进行实时监测，在完善监测流程的同时缩减监测所需时间，提高整体监测的效率，可靠性较强，具有更加广阔的发展空间。