馬蹄形截面隧道施工模擬與洞壁位移影響因素

駱禹錦，李學軍，2，曾開華，李漢龍，趙江倩

(1.南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099；2.貴陽市南明區水務管理局，貴州 貴陽 550002)

隨著國內隧道工程建設的發展，二十一世紀地下工程和隧道工程開始進入興建的黃金期，鐵路、公路、地鐵隧道、水利水電隧道都將進入高峰期。關于公路隧道數值模擬與現場施工監測，劉明才[1]利用數值模擬對大斷面小凈距隧道進行施工影響分析。吳波[2]等在上軟下硬底層隧道方面用數值模擬解決施工中的難題。丁智[3]等通過模擬應力變化對錨桿受力影響因素進行研究。Wang[4]等對淺埋非圓形隧道的應力分布進行探討。Gao[5]等運用數值分析和現場監測結合的方法對軟巖巷道的支護體系進行優化。岳向紅[6]等對隧道進行了拱頂下沉等項目的監測。Ebrahim Ghotbi Ravandi[7]等對非靜水應力場中圓形、D形和改進型馬蹄形隧道洞壁位移預測。王志偉[8]等認為公路隧道監控系統的研究對保證安全、暢通運行起到很大作用。申玉生[9]等對隧道施工階段圍巖數值模擬計算，指出了施工中圍巖應力的危險范圍、圍巖支護和監控量測的關鍵部位。佘健[10]等將數值模擬計算與現場監測對比分析，得出小凈距盾構隧道的應力分布規律。方剛[11]等將變截面隧道施工數值模擬計算中隧道圍巖彈塑性應力、變形特性與現場監測結果對比分析，表明數值模擬計算結果與現場監測結果吻合度較高。這些研究成果使得公路隧道施工技術有了長足發展，但是現有的研究認為圍巖位移變形研究大多是針對嚴格按照繞軸對稱條件而建立，經典隧道收斂約束法針對的是嚴格繞軸對稱開挖平面應變模型，這要求隧道的斷面形狀、所受載荷均是嚴格繞軸對稱的，即只有圓形隧道受均勻地應力作用才是其研究對象，可以獲得圍巖彈塑性應力變形的理論解，這對實際兩向不等地應力環境或直墻拱形隧道明顯不適用。而馬蹄形隧道周邊由4個圓弧組成：洞頂為半圓拱，兩側接曲率半徑較大的邊拱，洞底為向上仰的底拱，邊拱與底拱的連接處用圓弧修圓，其斷面決定該隧道為馬蹄形隧道。故馬蹄形隧道并非為嚴格繞軸對稱開挖平面應變模型，是典型的非繞軸對稱隧道，基于此，本文采用現場監測與數值分析的方法，對馬蹄形隧道洞壁位移的影響因素進行分析。

1 工程概況與地質條件

1.1 項目概述

社官壩隧道位于江西省贛州市龍南縣與全南縣境內，是一條上下分離的四車道公路隧道，左線隧道起訖樁號為ZK115+510～ZK115+670，洞長1.395 km，左線隧道進口為直線段，隧道出口在半徑為1 320 m的左偏圓曲線上，縱坡1.5%～-0.769%，隧道埋深15～160 m；右線隧道起訖樁號為YK115+549～YK115+729，洞長1.378 km，右線隧道進口為直線段，出口在半徑為1 350 m的左偏圓曲線上，縱向坡度為1.3%～-0.5%。整個隧道設計分離式結構。主洞及緊急停車區襯砌采用結構承載能力較好的曲墻式馬蹄形斷面。

1.2 工程地質條件

隧道進口和出口地表坡度較大，有局部的偏壓現象出現。本工程巖層淺層主要為松散狀粉質粘土，下伏基巖主要為層狀結構強風化和中風化千枚巖。根據該隧道的巖土工程調查報告，V級圍巖長度約627 m，占整個隧道44.9%；IV級圍巖長度有530 m左右，占整個隧道38.0%；Ⅲ級圍巖長度有238 m左右，占整個隧道17.1%。進口端基巖為強中風化或中風化千枚巖，巖層為層狀千枚巖結構。出口端洞口巖層強度偏低，隧道出口地形有偏壓情況。隧道洞身巖層為中風化層狀千枚巖。整個隧道洞身共有4條裂隙帶橫穿，且都與隧洞以較大的角度相交，對隧洞圍巖穩定性存在一定影響。

1.3 巖層與支護結構物理力學參數

根據社官壩隧道實際工程地質，強風化千枚巖和中風化千枚巖巖層采用廣義Hoek-Brown強度準則本構關系模擬，初次襯砌支護采用殼單元模擬，二次襯砌支護采用彈性本構關系模擬。巖層與支護結構參數見表1所示。

表1 巖層與支護結構物理力學參數

2 隧道洞壁位移數值模擬

該馬蹄形隧道施工數值模擬運用廣義Hoek-Brown本構關系模擬，以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件建立數值模型，研究不同地表坡度、不同隧道埋深和不同圍巖等級時隧道開挖過程中隧道圍巖的位移變化規律。采用FLAC3D軟件進行數值分析模型的建立。對所選隧道斷面拱頂、拱肩、拱腳等特征位置進行位移監測，隧道特征位置分布示意圖如圖1所示，分析不同地表坡角、不同隧道埋深和不同圍巖等級對圖中特征位置測線收斂位移的影響。

2.1 FLAC3D數值分析模型的建立

2.1.1 斷面選取

馬蹄形隧道數值模擬以馬蹄形隧道作為模擬對象，所選馬蹄形斷面隧道毛洞跨度為15.1 m，洞高9.05 m，地面坡度為20°，隧道埋深為20～160 m。

2.1.2 模擬步驟

本文數值模擬采用分步開挖、分步支護模擬隧道施工過程，具體建模分析順序為：通過FLAC3D內置基本形狀網格建立網格模型→定義模型邊界條件→材料賦值→分步開挖→分步襯砌→賦予襯砌材料參數→布置位移監測點→運行求解→對監測結果數據位移云圖分析。

2.2 模擬位移云圖分析

以地表坡角15°為例，通過上述步驟得到隧道水平方向位移云圖如圖2所示。

圖1 位移監測特征點

圖2 數值模擬隧道水平方向位移云圖

由圖2可知，特征點1與其對稱位置特征點3位移變化情況不同，即拱肩處對稱位置位移變化情況不同；特征點4與其對稱位置特征點5位移變化情況不同，即拱腳處對稱位置位移變化情況不同。故可初步得出馬蹄形隧道洞壁對稱位置位移變化情況不同。

3 隧道洞壁位移現場監測

3.1 拱頂沉降監測

根據社官壩隧道現場施工監測，對所布設的監測斷面及時進行了監測，取樁號ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540斷面現場實測拱頂沉降作為分析對象?，F場實測拱頂累計沉降與時間關系曲線，見圖3所示。

由圖3可以看出，ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540斷面現場實測拱頂累計沉降位移隨時間天數增加逐漸增加，隧道拱頂累計沉降位移在開挖后35 d左右，趨于穩定。

3.2 周邊收斂位移監測

根據社官壩隧道現場施工監測，對所布設的監測斷面及時進行了監測，取樁號ZK115+530斷面1-2，2-3，1-3，2-4，2-5，4-5測線實測收斂位移作為分析對象，ZK115+530斷面各測線實測收斂位移曲線如圖4所示。

圖3 實測累計拱頂沉降與時間關系曲線 圖4 實測累計周邊收斂位移與時間關系曲線

由圖4可知，ZK115+530斷面對稱測線的收斂位移趨于穩定值不等，說明隧道在對稱位置的測線收斂位移與以往理論認為的對稱位置的收斂位移一致相悖，因此隧道工程支護設計按照軸對稱情況下經典收斂約束法進行設計明顯與實際不符。

4 現場實測與數值模擬對比分析

4.1 拱頂沉降對比

根據社官壩隧道現場施工監測，按照公路隧道施工規范要求，本小節選取樁號ZK115+530斷面作為分析對象，將現場實測數據與數值模擬數據對比分析。數值模擬選取社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件，以IV級圍巖，地表坡角20 °，隧道埋深為20 m為條件建立數值模型分析，采用history命令監測ZK115+530斷面拱頂沉降。斷面ZK115+530實測拱頂沉降和數值模擬拱頂沉降曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，ZK115+530斷面數值模擬的拱頂沉降與現場實測的拱頂沉降隨開挖后間隔時間的增加隧道拱頂下沉趨勢一致，但數值模擬的拱頂沉降比現場實測的拱頂沉降大；由于數值模擬假定的圍巖力學參數與實際圍巖力學參數存在一定差異，隧道拱頂沉降位移增加，導致實測拱頂沉降與數值模擬拱頂沉降值產生差異，但兩者變化趨勢一致?，F場實測拱頂沉降下沉至10.5 mm時就幾乎達到穩定，而數值模擬拱頂沉降下沉至12.3 mm才達到穩定。

4.2 周邊收斂位移對比

按照公路隧道施工規范要求，根據社官壩隧道現場施工監測，本小節選取樁號ZK115+530斷面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5測線實測收斂位移作為分析對象，將現場實測數據與數值模擬數據對比分析。數值模擬選取社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件，以IV級圍巖，地表坡角20°，隧道埋深為20m為條件建立數值模型分析，采用history命令監測ZK115+530斷面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5測線收斂位移。ZK115+530斷面數值模擬收斂位移曲線如圖6所示。

由圖4和圖6中可以看出，ZK115+530斷面1-2測線、2-3測線、2-4測線、2-5測線數值模擬收斂位移與現場實測收斂位移趨勢一致，但數值模擬收斂位移略小于實測收斂位移；1-3測線和4-5測線數值模擬收斂位移與實測收斂位移差別較大，數值模擬收斂位移偏小。

5 洞壁位移影響因素分析

5.1 地表坡角

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件，研究地表坡角對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。選取埋深為20m時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同地表坡角對隧道施工中洞壁位移的影響。通過FLAC3D軟件history命令監測不同地表坡角隧道斷面測線的收斂位移，不同地表坡角隧道測線位移與計算步數的關系如圖7所示。

圖7 不同地表坡角隧道測線位移曲線

由圖7中可以看出，隧道測線位移隨地表坡角的增加，而逐漸增加。當地表坡角等于0°時，隧道測線位移隨計算步數增加幾乎沒有變化；當地表坡角等于45°時，隧道測線位移隨計算步數增加，而逐漸增加，在S10步時，位移出現驟降點，在S45步時，位移逐步達到穩定，最大測線位移為9mm。經計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且地表坡角對水平位移的影響較小。

5.2 埋深

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件，分析隧道埋深對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。

選取地表坡角為20°時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同埋深對隧道施工洞壁位移的作用效應。通過FLAC3D軟件history命令監測不同埋深隧道斷面測線的收斂位移，不同埋深隧道各測線位移與計算步數的關系見圖8所示。

圖8 不同埋深隧道測線位移曲線

由圖8中可以看出，隧道測線位移隨埋深的加大，而逐步增加。當埋深等于5 m時，隧道測線位移隨計算步數增加而逐漸增加，在S10步時，位移出現驟降，最大測線位移為3 mm；當埋深等于40 m時，測線位移隨計算步數增加而逐漸增加，在S10步時，位移出現驟降，在S45步后時，測線位移逐步達到穩定，最大測線位移為18 mm。由此可見，埋深在40 m范圍內隨隧道埋深的增加，隧道拱軸線兩側荷載增加，隧道洞壁位移也增加，當埋深繼續增加時，洞壁位移趨于穩定極限值。經計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且埋深較淺時對水平位移的影響較大。

5.3 圍巖等級

以社官壩隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件，分析圍巖等級對馬蹄形隧道洞壁位移的影響。

選取地表坡角為20°，埋深為20m時ZK115+530斷面為研究對象，分析不同圍巖地質強度指標值(GSI)對隧道施工洞壁位移的作用效應。通過FLAC3D軟件history命令監測不同圍巖等級隧道斷面測線的收斂位移，不同圍巖等級隧道測線位移與計算步數的關系見圖9所示。

由圖9中可以看出，隧道測線位移隨GSI的減小，而逐步增加。當GSI為20時，測線位移隨計算步數增加，而逐漸增加，在S10步時，位移出現驟降，最大測線位移為9.86mm；當GSI為50時，測線位移隨計算步數增加，而逐漸增加，無明顯驟降點，測線位移逐步達到穩定，最大測線位移為2.86mm。由此可見，隨隧道圍巖等級的增加，圍巖性狀發生改變，GSI發生改變，圍巖強度逐漸減小，隧道洞壁位移也隨之增加。經計算水平位移在其不同對稱點位置處收斂程度不同，且圍巖等級對水平位移的影響較大。

6 結語

本文通過現場洞內收斂位移監測，并使用FLAC3D軟件建立以隧道ZK115+520～ZK115+540區段斷面實際工程地質條件的數值模型，研究地表坡度、埋深、圍巖等級對馬蹄形隧道洞壁位移的影響，得出以下結論：

(1)以贛州社官壩隧道工程為背景，通過現場監測與數值模擬對比分析，在出現洞壁對稱位置位移變化情況不同后，數值模擬洞壁位移趨勢與實測一致，說明數值模擬充分考慮現場實際狀態有一定借鑒價值。

(2)數值分析結果表明，隧道拱頂沉降各測線水平位移在其不同對稱點位置上收斂位移程度不同，但地表坡角對水平位移的影響較小，而埋深、圍巖等級對水平位移的影響較大。

(3)關于埋深對于洞壁位移的影響，埋深較小時，隧道拱頂、拱肩、拱腳位置出現洞壁對稱位置位移變化情況不同更明顯；埋深在40 m范圍內隨著埋深的增加，對稱位置收斂位移出現偏差，且偏差隨埋深增加而減小。

(4)關于圍巖等級對于洞壁位移的影響，隨隧道圍巖等級的增加，隧道圍巖強度減小，隧道收斂位移增加，隨圍巖等級增加，隧道拱頂、拱肩、拱腳位置出現洞壁對稱位置位移變化情況出現偏差明顯。

(5)綜合上述3種影響因素分析，在支護設計時，對隧道拱肩和拱腳位置偏壓圍巖支護設計及施工加強考慮。