隧道开挖纵向变形相关性研究

摘要：本文依托湖北谷竹高速关垭子隧道，实施断面全过程的监控量测，通过对实际监控的数据结果和数值分析的数据的分析，得出了各断面在纵向上的变形相关性，为指导类似工程的支护设计和施工工艺提供了依据，为隧道施工过程中有效的利用监测数据进行围岩稳定性判断，保障施工安全提供了方法。

关键词：监控量测 数值模拟 纵向变形 相关性分析

1 概述

隧道新奥法中的关键工序为隧道监控量测，其质量结果直接影响围岩与衬砌的稳定性、施工安全、施工顺序及施工方法，同时对安排施工管理具有重要指导作用。

本文依托湖北谷竹高速关垭子隧道，对各断面的拱顶和收敛进行了全过程的变化监测，同时进行了数值分析。通过对监测数据和数值模拟结果进行比较，总结出隧道开挖过程中纵向上的各断面变形相关性，对于指导类似工程的设计施工和科研工作具有一定的参考价值。

2 工程概况

关垭子隧道设计为小净距隧道，位于湖北省竹溪县蒋家堰镇。隧址区属风化断裂地貌，断裂构造较为发育，主要以西北向和东北向断裂为主，岩性较差，岩石较破碎，断裂破碎处含水量较大，。隧道左线起止桩号为：ZK226+712～ZK227+797，选取ZK227+780～ZK227+453为分析区段，全长347m。该区段围岩片岩较多，主要为强、弱风化片岩。

隧道洞口采用端墙式洞门，出口端前5m设计为明洞，明洞顶部回填采用水泥砂浆抹面。明洞衬砌采用C25钢筋混凝土，厚度为60cm。暗挖段采用复合式衬砌，初期支护采用C20混凝土，二衬采用C25混凝土，仰拱采用C15片石混凝土。洞口施工为关键施工点，为保证施工的安全性和洞口围岩的稳定性，洞口采用超前长管棚和地面深层搅拌的方法，围岩采用超前小导管加注浆，Ⅳ级围岩采用超前锚杆。

3 现场监测与数值分析

3.1 现场监测

工程实践表明，最能反映围岩及支护系统力学形态和安全性能的指标是周边位移和拱顶下沉。我国的现行规范也将周边允许收敛值和允许收敛速度作为围岩和结构稳定的判据[1]。

本文主要研究各横断面的拱顶下沉、水平收敛在纵向上的变形相关性，根据现场实际，共划分18个横断面（见表1），每个横断面设置3个测点（见图1）。拱顶下沉的测量工具为精密水准仪和标准钢卷尺，水平收敛则使用数显收敛计测量。

3.2 数值分析

数值模拟作为一种先进的预测施工方案可靠性的方法，已经越来越成熟和可靠，本文选用ABAQUS数值分析软件进行模拟开挖。为合理模拟边界效应，模型长度取为隧道直径的10倍，使隧道处于模型的中心[2]。左右边界同时施加水平方向约束，底部施加水平和垂直方向的约束（如图2所示）。模拟单元以四边形单元为主，在近洞口段的过渡区域允许出现三角形，从而实现粗细网格的合理过渡，以保证精度。网格划分如图3所示。

4 数据与分析

为便于分析数据和进行理论解释，将以上数据绘制成图4。

由图4可以看出，在近洞口段，拱顶下沉量发展较快，实测值在7号断面已经达到18号断面的73.48%，模拟值达到83.56%。7号断面处于Ⅴ、Ⅳ级岩石的分界面，岩性较差，以破碎片岩为主，而且地下水含量较大，承载能力不足，自稳能力较差，整体性较差，因此次区段内拱顶沉降量在重力的作用下随埋深的增加而增大，发展较快。之后的断面由于岩性的改善，掌子面的岩体强度和自稳能力增强，变形也趋于稳定。这是由于岩性发生改变，岩石的强度和整体性得到改善，使沉降量发展缓慢[3]。

水平收敛的变形趋势与拱顶沉降规律大致相反。在近洞口埋深较浅，收敛主要受土体水平侧压力的影响，所以近洞口段水平收敛较小且发展缓慢。随着开挖进程，水平侧压力随埋深的增大而变大，导致水平收敛值也明显增加。

由图可以看出，数值分析的数据曲线能反映出隧道开挖变形在纵向上的变形规律。因此可以通过数值分析进行施工过程中围岩以及衬砌的变形规律和变形量，依此制定相应的应对措施，或者作为施工方案设计的参考依据。同时鉴于数值分析的近似性和理想化，不能完全模拟实际的施工工况，因此，不能单独利用数值分析数据进行分析，必须结合实际的测量结果进行对比分析，来评价围岩性能和支护方案的可靠性[4]。

5 结语

通过对实际测量数据和数值模拟结果的对比分析，结合实际的工程现状和理论依据，可以总结出新奥法施工的隧道纵向上各断面的变形相关性。具体表现为：

①在邻洞口段，影响拱顶下沉的主要因素为埋深，且近洞口段的发展较快。经过近洞口段后，岩石的承载能力成为影响拱顶下沉的主要因素。

②在整个开挖区段内，理论分析和实际测量的结果同时显示水平收敛变形趋势与拱顶沉降规律大致相反，呈现出先缓后急的趋势。

③在隧道开挖过程中，拱顶位移是判断施工效果和评价岩性的关键因素，是反映围岩力学状态最直观的数据。因此施工中要做好对拱顶沉降数据的处理和分析，充分利用其数据做好对施工方案的调整，做到信息化施工。

参考文献：

[1]陈建勋，马建勤.隧道工程试验监测技术[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]邓江.猫山公路隧道工程技术[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]刘泉声，白山云，肖春喜等.基于现场监控量测的龙潭隧道施工期围岩稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（10）：1982-

1990.

[4]张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报，2005，24（10）：1703-1707.

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