公路隧道施工數(shù)值仿真分析及變形監(jiān)測研究

摘要：隧道施工會造成圍巖變形，影響工程安全，故文章針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程開展現(xiàn)場監(jiān)測試驗，并選用FLAC 3D有限差分軟件進行隧道典型斷面開挖全過程施工模擬分析，得出結(jié)論：由現(xiàn)場監(jiān)測試驗可知，拱頂沉降與上臺階水平變形規(guī)律為先增大，后放緩，再穩(wěn)定，下臺階開挖對上臺階水平變形造成的波動更大；由仿真計算可知，拱頂沉降與上下水平變形值均增大，上臺階施工至斷面時，變形速率最大，下臺階施工至斷面時，變形值穩(wěn)定，故需特別注意上臺階開挖時圍巖的狀態(tài)；分析數(shù)值模擬三測點的最大、最小主應力可知其變化規(guī)律基本一致，上臺階開挖影響最大。

關(guān)鍵詞：隧道施工；現(xiàn)場監(jiān)測；FLAC 3D；圍巖變形

中圖分類號：U415.12 A 32 107 4

0 引言

我國地表多山地和丘陵，受到這些地形限制，公路建設中隧道所占比例極大。控制施工時隧道圍巖的變形量是提高工程質(zhì)量的關(guān)鍵，大量學者對此進行了研究。房倩等［1］收集整理了大量山嶺隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了圍巖變形與圍巖等級、施工開挖之間的關(guān)系，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果提出相應的參考值。羅彥斌等［2］基于現(xiàn)場監(jiān)測試驗，研究了分部開挖的大跨度公路隧道的圍巖壓力變化，并提出一種新的計算方法。祁文睿等［3］針對軟弱斷層區(qū)的破碎圍巖提出“短進尺3臺階7步法”開挖施工方法，并構(gòu)建了一套圍巖支護和變形監(jiān)測方案，對于施工災害控制取得了較好的成果。張翾等［4］基于深圳某隧道開挖工程，利用FLAC 3D軟件建模，研究了盾構(gòu)機施工位置對在建明挖隧道周圍土體變形的影響。于力昌等［5］用有限元軟件模擬施工過程，分析了新隧道施工引發(fā)的既有隧道的變形規(guī)律和受力特征。陳云騰等［6］運用數(shù)值模擬分析了不同施工方法下越嶺特長隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比。本文針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程，開展現(xiàn)場監(jiān)測試驗，選用FLAC 3D軟件建模，模擬隧道典型斷面施工開挖全過程。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 監(jiān)測方案

根據(jù)廣西某公路隧道實際工程，每隔 10 m取一個斷面進行監(jiān)測，布置斷面測線如圖1所示，圖中A點為拱頂沉降測點，B、B′點為上臺階測點，C、C′點為下臺階測點。

拱頂沉降監(jiān)測如圖2所示，在進行拱頂沉降監(jiān)測的同時，應當測量周邊水平變形值。監(jiān)測試驗中測樁的布置至關(guān)重要，應當在拱頂軸線處設置能懸掛鋼卷尺的測樁，通過水準尺、水準儀和鋼卷尺來計算相應的拱頂沉降值。一旦發(fā)現(xiàn)測樁被埋或丟失，應立刻進行補設，以免出現(xiàn)監(jiān)測空檔。

隧道周邊水平變形值可以直觀地反映隧道圍巖變形情況［7］，根據(jù)變形監(jiān)測值可計算相應的圍巖變形速率，判斷圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，以供后續(xù)施工參考。隧道周邊水平變形值常選用收斂計測量，其值表示隧道軸線兩側(cè)同一高度兩測點的相對位移。實際監(jiān)測時，選擇測樁鉆孔直徑為 40 mm，埋設深度為 30 cm，用水泥固定并設置相應的保護措施。為盡量減小施工對測樁的影響，應當將測點布置在掌子面 1 m以內(nèi)。

在監(jiān)測過程中應當詳細記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時處理問題，以達到輔助施工的目的。當監(jiān)測值出現(xiàn)異?；蜻_到設計閾值時，應當加測。

1.2 監(jiān)控量測及數(shù)據(jù)分析

施工按照上下臺階法進行，當上臺階施工至斷面時埋設監(jiān)測所需測樁，距下臺階施工至斷面間隔 11 d，監(jiān)測總時長為 39 d。典型斷面拱頂沉降、變形速率與上臺階測點水平變形值、變形速率如圖3、圖4所示。

由圖3可知，拱頂沉降在初始監(jiān)測的 10 d內(nèi)快速增長；在下臺階施工至斷面時，拱頂沉降出現(xiàn)了波動，至監(jiān)測 20 d左右波動平穩(wěn)；之后增長速度放緩，在監(jiān)測 30 d后逐漸趨于穩(wěn)定。最終實測拱頂總沉降值為 23.77 mm，變形速率總體趨勢為逐漸減小，最后趨于0。

由圖4可知，上臺階水平變形在初始監(jiān)測的 10 d內(nèi)快速增長；在下臺階施工至斷面時，上臺階水平變形出現(xiàn)了波動，至監(jiān)測 20 d左右波動平穩(wěn)；之后增長速度放緩，在監(jiān)測 30 d后逐漸趨于穩(wěn)定。最終實測上臺階總水平變形值為 18.46 mm，變形速率總體趨勢為逐漸減小，最后趨于0。

綜合圖3、圖4可知，拱頂沉降與上臺階水平變形變化規(guī)律基本一致，都在監(jiān)測前期急劇增大，隨著下臺階開挖至斷面，變形速率放緩，最終變形值趨于穩(wěn)定。而在下臺階開挖至斷面前后，上臺階測點波動更明顯，故可認為下臺階施工對上臺階測點的影響更大。

2 數(shù)值仿真分析

2.1 模型的建立

因現(xiàn)場監(jiān)測無法對上臺階施工過程的變形進行測量，故選用FLAC 3D軟件模擬其施工全過程，分析其受力與變形特性。該斷面位于軟巖與軟硬巖石接觸段，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體多破碎，粘結(jié)力差、穩(wěn)定性差，為Ⅴ級圍巖?，F(xiàn)場采用鉆爆法，分上下臺階施工。以上臺階地面中心點為模型原點，x正負向建 50 m模型，y向建 60 m模型，z正向建 60 m模型，負向建 40 m模型。其三維模型如圖5所示。

考慮圍巖的特性，選用摩爾-庫侖模型進行模擬。設置模型四周邊界為法向固定，下邊界為全向固定，上邊界為自由邊界。為提高計算效率，簡化計算步驟，使用圍巖加固取模擬錨桿支護，通過改變彈性模量E和泊松比μ的方式模擬支護后的抗壓剛度。體積模量K和剪切模量G換算公式如式（1）、式（2）所示。模型材料力學參數(shù)如表1所示。

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

2.2 圍巖位移分析

考慮邊界效應和開挖進程的影響，取y向為 10 m處的數(shù)據(jù)進行分析，由于該模型為左右對稱建立，故提取中軸線右側(cè)數(shù)據(jù)即可。

提取相應點位的位移變形數(shù)據(jù)，可得拱頂沉降值、水平變形值與開挖深度的關(guān)系曲線圖如圖6、圖7所示。

由圖6可知，監(jiān)測斷面拱頂?shù)淖罱K沉降值為 21.63 mm，上臺階開挖至此斷面時，拱頂沉降值為 8.23 mm，約為全部沉降的38%。上臺階施工越靠近監(jiān)測斷面，該處拱頂沉降速率越大；上臺階施工至此斷面時，拱頂沉降速率最大；隨著后續(xù)對圍巖采用錨桿支護措施，圍巖應力釋放，拱頂沉降速率逐漸變小。下臺階施工至此斷面時，拱頂沉降值逐漸穩(wěn)定。

由圖7可知，在隧道開挖施工過程中，監(jiān)測斷面的上、下臺階測點處均產(chǎn)生了變形，且兩者變形規(guī)律具有一定的相似性。在隧道初始開挖時期（開挖深度＜ 6 m），其變形值為正值，即向隧道外變形，后（開挖深度＞ 6 m）其變形值為負值，即向隧道內(nèi)變形。上臺階施工越靠近監(jiān)測斷面，則兩測點的變形速率越大；上臺階施工至此斷面時，變形速率最大；下臺階施工至此斷面時，變形值略有減小，后逐漸趨于穩(wěn)定。雖兩者變形規(guī)律類似，但下臺階拱腳處最終變形值要大于上臺階測點處的變形值。

綜合圖6、圖7可知，監(jiān)測斷面拱頂最終沉降值遠大于其水平變形值，但其變化規(guī)律類似，變形速率都在上臺階施工至斷面時達到最大，后逐漸減小，變形值在下臺階施工至此斷面后逐漸穩(wěn)定。因此，在實際工程中，應當特別注意上臺階開挖施工。

2.3 圍巖主應力分析

提取相應點位應力值，可得最大主應力、最小主應力與開挖深度的關(guān)系曲線如圖8和圖9所示。

由圖8可知，監(jiān)測斷面拱頂測點處最大主應力隨著開挖深度的增加，先大幅度減?。划斏吓_階施工至斷面后，有一定增大；當下臺階施工至斷面后，趨于穩(wěn)定；最終值約為初始值的一半。上臺階測點處最大主應力在初始開挖（開挖深度＜ 4 m）時，略有增大，后迅速減??；當上臺階施工至斷面后，減小速率降低；當下臺階施工至斷面后，其值有所增大，最終趨于穩(wěn)定。下臺階（坡腳）測點處最大主應力在初始開挖（開挖深度＜ 4 m）時，略有增大，后迅速減??；當上臺階施工至斷面后，減小速率明顯上升；當下臺階施工至斷面后，其值有所增大，最終趨于穩(wěn)定。

由圖9可知，3個測點最小主應力變化規(guī)律基本一致，都在初始階段略有增大，后迅速減小，再有稍許增大，最后趨于穩(wěn)定。但3個測點的變化節(jié)點不同：拱頂測點在開始開挖時，最小主應力值便迅速減小，上臺階施工至斷面后，其值開始增大；而上、下臺階測點則在開挖一段距離后，最小主應力值才減小，下臺階施工至斷面后，其值才開始增大。

綜合圖8、圖9可知，3個測點的最大、最小主應力變化規(guī)律類似，上臺階開挖影響最大，最小主應力變化較最大主應力小，上臺階測點變化較下臺階測點大。

3 結(jié)語

本文針對廣西某公路隧道選用上下臺階法施工的實際工程，開展現(xiàn)場監(jiān)測試驗，為彌補現(xiàn)場監(jiān)測無法測量在上臺階施工至斷面前的變形，故選用FLAC 3D軟件建立三維仿真模型，以模擬隧道典型斷面施工開挖全過程，得到如下結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場實際監(jiān)測情況可知，隧道拱頂沉降與上臺階水平變形規(guī)律基本一致，在監(jiān)測前期變形值急劇增大，然后放緩，最后逐漸趨于穩(wěn)定。而下臺階施工對上臺階水平變形的影響更大。

（2）通過分析數(shù)值仿真所得監(jiān)測斷面拱頂沉降與上下臺階水平變形值可知，三者變形規(guī)律基本一致；在上臺階施工至斷面時，變形速率達到最大值，后逐漸減??；變形值在下臺階施工至斷面后逐漸趨于穩(wěn)定。故實際工程中需要特別注意上臺階開挖造成的變形。

（3）通過分析數(shù)值仿真所得監(jiān)測斷面拱頂與上下臺階測點的最大、最小主應力可知，3個測點最大、最小主應力變化規(guī)律基本一致，初始期略微增大，后迅速減小，再稍有增大后逐漸趨于穩(wěn)定。上臺階開挖影響最大，最小主應力變化較最大主應力小，上臺階測點變化較下臺階測點大。

參考文獻

［1］房 倩，粟 威，張頂立，等.基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道圍巖變形特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2016，35（9）： 1 884- 1 897.

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［3］祁文睿，高永濤.公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監(jiān)測技術(shù)研究［J］.公路交通科技，2021，38（11）：88-96，105.

［4］張 翾，呂竟銘，王禮華，等.盾構(gòu)隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響［J］.公路交通科技，2022，39（8）：166-174.

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收稿日期：2023-01-10