試析山區(qū)公路隧道數(shù)值模擬施工和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

謝志滿

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 211100）

引言

公路是現(xiàn)代化建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，高速公路更是現(xiàn)代化社會(huì)的標(biāo)志之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山區(qū)公路建設(shè)是發(fā)展的必然要求。隧道和地下空間的使用越來(lái)越普及，城市的地下交通就是合理的利用地下空間，緩解地面的交通壓力和用地壓力。而山區(qū)的公路隧道卻也是山區(qū)公路建設(shè)的必要，地理位置偏遠(yuǎn)，地形復(fù)雜，就必須要進(jìn)行隧道施工保證公路的暢通，山區(qū)公路采用隧道，可以改善路線指標(biāo)，在很大程度上縮短了路程和行車時(shí)間，提高了運(yùn)營(yíng)效率，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給人們的往來(lái)提供了方便。

1 研究背景

1.1 我國(guó)的山區(qū)公路隧道建設(shè)的發(fā)展

在我國(guó)的1907年中國(guó)工程是詹天佑主持修建的鐵路中的八達(dá)嶺隧道是我國(guó)的最早的隧道，后來(lái)擴(kuò)展到了交通隧道。那時(shí)候，經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后，技術(shù)也跟不上，主要采用的深挖或者盤山公路。在20世紀(jì)我國(guó)隧道建設(shè)總共才兩千多米，發(fā)展緩慢，基本上都是短隧道，在21世紀(jì)初的時(shí)候，經(jīng)濟(jì)水平的提高，交通網(wǎng)得到了完善和擴(kuò)展延伸，山區(qū)公路建設(shè)也就進(jìn)入快速發(fā)展的階段，公路隧道建設(shè)規(guī)模增大，難度也就隨著上升。隧道已經(jīng)由以前的純?nèi)斯そㄔO(shè)走向了機(jī)械化智能化，隨著發(fā)展，已經(jīng)形成了獨(dú)立的隧道工程領(lǐng)域，其中就有明挖法、頂進(jìn)法、掘進(jìn)機(jī)法等等。后來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷研究更新，國(guó)家重視基礎(chǔ)性的建設(shè)，山區(qū)隧道是處在地下封閉區(qū)域，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)，就會(huì)造成嚴(yán)重的損失，而且隨著隧道的深入建設(shè)，其地形也就越來(lái)越復(fù)雜，在勘查工作無(wú)法完成縝密的勘察情況下，就需要采用先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，提高相關(guān)施工人員對(duì)隧道的施工的研究，確定更加精確的施工方案，包括了施工的安全、施工的進(jìn)程、施工材料以及事故預(yù)防等。新奧法就是我國(guó)山區(qū)公路隧道應(yīng)用最廣泛的方法，都是以這一方法為指導(dǎo)，新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)采用錨桿和噴射混凝土為支護(hù)手段，控制圍巖的變形等問(wèn)題，同時(shí)還能夠?qū)鷰r和支護(hù)進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控，指導(dǎo)隧道的施工。其主要的原則可以簡(jiǎn)單的概括為：充分保護(hù)圍巖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；充分發(fā)揮圍巖的自承能力；盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合；加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。后來(lái)，出現(xiàn)了一種隧道施工新工藝，稱之為新意法，是通過(guò)對(duì)隧道的開(kāi)挖面前方超前核心土的勘察、量測(cè)，進(jìn)行信息化設(shè)計(jì)和施工，保證設(shè)計(jì)的完整可靠。在2014年的時(shí)候，我國(guó)公路隧道建設(shè)已經(jīng)達(dá)到了一萬(wàn)多座，而且其中還有特長(zhǎng)隧道，這對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的積極意義。比如其中的陜西秦嶺終南山隧道長(zhǎng)達(dá)18.02km，青海長(zhǎng)拉山隧道哈勃已經(jīng)高達(dá)四千多米，我國(guó)的隧道建設(shè)不光是數(shù)量，還有建設(shè)規(guī)模等都是世界上最高的國(guó)家。

1.2 我國(guó)山區(qū)隧道施工事故分析

山區(qū)公路隧道的建設(shè)，其中研究的重點(diǎn)就是地形情況，隧道施工的技術(shù)以及施工的安全，而且根據(jù)調(diào)查，我國(guó)隧道建設(shè)施工的事故發(fā)生也是比較嚴(yán)重的，造成了一定的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，在2012年，湖南的八面山隧道出現(xiàn)了炸藥爆炸，造成了20人死亡，2人受傷；在2010年的重慶天池隧道，出現(xiàn)隧道透水，造成4人死亡，4人受傷；在2010年的死擦混呢大巴山隧道，出現(xiàn)塌方的情況，造成了4人死亡2人受傷。這些都是隧道施工階段發(fā)生的事故，所以隧道施工的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有著非常重要的作用。

2 山區(qū)公路隧道數(shù)值模擬施工和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 數(shù)值模擬施工

數(shù)值模擬都被稱之為計(jì)算機(jī)模擬，是山區(qū)公路隧道施工信息化的現(xiàn)在象征，他依靠電子計(jì)算機(jī)的模擬技術(shù)，通過(guò)數(shù)值的計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題研究的目的。數(shù)值模擬的一個(gè)應(yīng)用的步奏：①建立反映問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，也就是反映問(wèn)題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。②尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，隨著發(fā)展，出現(xiàn)了多種計(jì)算方法，包括了微分方程的離散化方法及求解方法、貼體坐標(biāo)的建立等。③就可以開(kāi)始編制程序和計(jì)算，這一過(guò)程是比較復(fù)雜的，也是整個(gè)里面最重要最占據(jù)時(shí)間的一個(gè)過(guò)程，數(shù)值求解方法在理論上不夠完善，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)加以驗(yàn)證。④計(jì)算完成之后，會(huì)通過(guò)圖象顯示出來(lái)，數(shù)值模擬的水平越高，那么所顯示的也就越逼真。

數(shù)值模型的內(nèi)容需要結(jié)合實(shí)際工程的的情況，就包括了地質(zhì)報(bào)告和實(shí)際的地質(zhì)情況建立模型，就比如某山區(qū)，地貌上屬于剝蝕中低山區(qū)，這一山區(qū)的海拔在伍佰伍拾到780多米之間，相對(duì)的高差在229m左右，溝谷成U型，植被比較發(fā)育。隧道的圍巖屬于第Ⅳ類，此隧道采用的是復(fù)合型支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中花崗巖、噴射混凝土以及中空注漿錨桿都有特定的黏聚力、摩擦角、彈性模量以及重度等。這里數(shù)值模擬建設(shè)采用上下臺(tái)階施工方法，分析位移的變化，通過(guò)圖形數(shù)值的顯示，則可以確定拱頂?shù)奈灰魄闆r和水平位移情況，該公路采用復(fù)合式襯砌，其設(shè)計(jì)的方法就是最常見(jiàn)的新奧法，剛開(kāi)始的時(shí)候支護(hù)是噴射混凝土、格柵鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)共同組成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，噴射混凝土用C20混凝土厚度20cm，錨桿采用φ25注漿錨桿，長(zhǎng)度3.5m錨桿的間距在120cm第二次采用的是C25鋼筋混凝土厚60cm，他們共同承受永久荷載，以此來(lái)確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

山區(qū)公路隧道設(shè)計(jì)和爆破開(kāi)挖情況，然后對(duì)隧道進(jìn)行地表沉降量測(cè)，水平收斂等量測(cè)。通過(guò)監(jiān)控測(cè)量的具體情況，就可以讓其施工程序的安排更加合理，而且還能進(jìn)行事故的預(yù)防，提高隧道施工的質(zhì)量，保證水道施工的安全?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)包括了隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)，隧道洞內(nèi)水平收斂檢測(cè)以及地表沉降監(jiān)測(cè)。①山區(qū)公路隧道拱頂沉降檢測(cè)，通過(guò)拱頂?shù)奈灰魄闆r，確定位移的平均速率，根據(jù)圍巖基本穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，確定沉降的情況，是否在控制范圍之內(nèi)，確定受影響的情況是否會(huì)對(duì)施工的安全產(chǎn)生威脅。同時(shí)要注意的是，在隧道開(kāi)挖施工的過(guò)程中要持續(xù)的進(jìn)行拱頂監(jiān)測(cè)，確保施工的安全。②山區(qū)公路隧道洞內(nèi)水平收斂監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)水平收斂的曲線判斷位移的速率，與之圍巖基本穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)的比較，是否在控制范圍之內(nèi)，同時(shí)也通過(guò)曲線情況，確定是否受爆破開(kāi)挖的影響，是否對(duì)隧道施工安全造成威脅。③山區(qū)公路隧道洞口地表沉降監(jiān)測(cè)，還是一樣對(duì)地表沉降曲線進(jìn)行分析研究，確定沉降的變化情況，是不是會(huì)受爆破和開(kāi)挖的影響，是否會(huì)對(duì)隧道施工安全造成威脅。

通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，比較其模擬和儀器量測(cè)的結(jié)果，就可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)，選擇合理的支護(hù)方式，確保施工的安全。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制

隨著發(fā)展，堅(jiān)持以人為本，人們的安全意識(shí)也得到了提高，隧道建設(shè)也更加重視施工安全，山區(qū)公路隧道建設(shè)中，越來(lái)越重視隧道數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，數(shù)值模擬可以全面的預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖的過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通過(guò)儀器的測(cè)量的數(shù)據(jù)分析，掌握圍巖的動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的原理，通過(guò)模擬測(cè)量，就可以恨到的確定施工的情況，預(yù)測(cè)事故并且及時(shí)的做好防預(yù)措施。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)也是隧道施工合理的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)模擬監(jiān)測(cè)得出最終的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工情況，分析山區(qū)隧道施工過(guò)程中的變形規(guī)律，根據(jù)模擬數(shù)值和量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出相應(yīng)的措施，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著山區(qū)公路建設(shè)的發(fā)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)難度增加，在山區(qū)公路隧道建設(shè)中，有著一些事故的發(fā)生，對(duì)施工人員的生命安全造成了危險(xiǎn)，也造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以隧道的施工安全，科學(xué)合理是當(dāng)前山區(qū)公路隧道建設(shè)研究的主要問(wèn)題。在發(fā)展的新時(shí)期，科學(xué)技術(shù)不斷的更新發(fā)展，其中計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各行各業(yè)中，在公路隧道建設(shè)也一樣。本文主要分析了山區(qū)公路隧道建設(shè)中，數(shù)值模擬掌握施工的整個(gè)過(guò)程，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)隧道拱頂沉降，水平收斂以及地表沉降等數(shù)據(jù)圖形分析，采用最合理的施工方法，確保施工的安全，提高施工效率。