老鷹山隧道拱頂下沉建模與監(jiān)測比對分析

劉 志 楠

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000； 2.安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引言

新奧法隧道施工由于其理論基礎的科學性及正確性而被廣泛采用，監(jiān)控量測正是新奧法隧道施工中的重要組成部分，是監(jiān)控圍巖與機構穩(wěn)定性的重要手段，被不斷運用到生產(chǎn)實踐中[1]。監(jiān)控量測是隧道施工管理中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，在公路隧道新奧法施工中必須及時進行監(jiān)控量測和信息反饋來修正隧道設計參數(shù)，以達到“動態(tài)設計、信息化施工”的目的[2]，同時也是確保隧道安全施工的重要手段之一。

隧道監(jiān)控量測過程中按照動態(tài)管理量測斷面的信息，正確而經(jīng)濟的施工，以確保施工安全，實現(xiàn)信息化管理；根據(jù)隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性的施工信息，進行數(shù)據(jù)分析，檢驗施工預設計。把信息反饋給設計，以達到隧道動態(tài)設計的效果；檢測數(shù)據(jù)通過分析處理及必要的計算和判斷，可以預測和確定圍巖的最終穩(wěn)定時間，分析得出二次襯砌的最佳時機；根據(jù)積累的資料及監(jiān)測成果可以作為類似隧道施工和設計的依據(jù)[3]。

1 工程概況

蒙文硯高速公路(蒙自—文山—硯山高速公路)按四車道高速公路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬度為24.5 m，蒙文硯高速公路主線長137.5 km(紅河州境內(nèi)長48.8 km)，文山聯(lián)絡線9.6 km，總投資估算為125.31億元(紅河州境內(nèi)39億元)。全線共設置特大橋2座、大橋76座；長隧道5座、中隧道4座；互通式立交12處；同時建設包括1處管理中心、2處服務區(qū)和6處停車區(qū)在內(nèi)的必要的交通工程、沿線設施。其中，老鷹山隧道左幅樁號為ZK14+830～ZK17+294，長2 464 m；右幅YK14+861～YK17+304，長2 453 m。根據(jù)隧址區(qū)勘探資料及現(xiàn)場地質素描得知隧道圍巖以灰?guī)r為主。本次計算建模分析計算段采用新奧法預留核心土法施工的Ⅴ級圍巖段(ZK15+940～ZK16+170，YK16+010～YK16+210)。

2 模型建立

2.1 模型建立的參數(shù)選取

本文以新奧法預留核心土法施工進行模型建立和分析，采用有限元正分析軟件進行建模，其中材料參數(shù)取值見表1。

2.2 模型的建立

通過CAD進行模型初步建立，保存成.dxf文件，然后導入有限元正分析軟件中，導入模型時，需注意在同一位置不允許有重復的線段，盡量不要在線與線相交處出現(xiàn)短線及單位應一致等。預留核心土法開挖根據(jù)隧道開挖工序通過有限元正分析軟件總共設計10個施工步。其Y位移云圖如圖1～圖10所示。

表1 老鷹山隧道預留核心土法隧道施工對應的材料參數(shù)取值表

2.3 有限元正分析計算結果

根據(jù)有限元正分析軟件采用預留核心土臺階法進行建模分析，得出老鷹山隧道該里程段拱頂最大位移下沉量為43.2 mm。拱頂下沉有限元正分析計算統(tǒng)計表如表2所示。

表2 預留核心土工法施工Y位移有限元正分析計算統(tǒng)計表

工序施工步1,增步量1施工步1,增步量2施工步1,增步量3施工步1,增步量4施工步2,增步量1施工步2,增步量2施工步2,增步量3施工步2,增步量4施工步2,增步量5施工步2,增步量6Y位移mm10.920.830.722.12425.226.617.115.814.5-10.7-17.8-24.7-36.5-37.7-38-38.3-39.9-41.5-43.2注:“-”代表拱頂下沉的向下位移

3 回歸分析計算

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集分析

在隧道施工過程中，對老鷹山隧道左幅ZK15+940～ZK16+170(共計230 m)及右幅YK16+010～YK16+210進行了拱頂下沉監(jiān)測(共計200 m)，共設置22個拱頂下沉監(jiān)測斷面，采用監(jiān)控量測60 d得到的數(shù)據(jù)進行分析計算，其中左幅ZK16+120監(jiān)測斷面拱頂下沉監(jiān)測點實際累計下沉量最大，最大值S1=40.2 mm。

3.2 通過回歸分析計算

對左幅ZK16+120拱頂下沉監(jiān)測斷面采用指數(shù)回歸方程(S=a×e-b/t)計算，得出拱頂S1點的最終沉降量為40.67 mm。斷面ZK16+120拱頂下沉S1點累計沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表3所示，斷面ZK16+120拱頂下沉累計沉降曲線圖如圖11所示。ZK16+120拱頂下沉斷面指數(shù)回歸方程計算統(tǒng)計表如表4所示。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)得出：lna=3.705 5，b=1.388 5；即a=40.67 mm，將a和b代入指數(shù)回歸方程S=a×e-b/t中，取t=∞代入S1=40.67e-1.388 5/t，且判定系數(shù)：r2=0.993 2；計算得出拱頂下沉S1點累計沉降的最終沉降量S1=40.67 mm。從建模分析計算得出最大沉降量為43.2 mm(根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用回歸方程計算最終拱頂下沉變形量為S=40.67 mm)，老鷹山隧道該里程段設計預留變形量為100 mm，處于Ⅴ級圍巖一般～較差地段，隧道預留變形量完全可以滿足實際施工變形。

表3 ZK16+120拱頂下沉S1點累計下沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表4 ZK16+120拱頂下沉斷面指數(shù)回歸方程計算統(tǒng)計表

4 結語

1)實際拱頂下沉監(jiān)控量測中數(shù)據(jù)計算最終沉降量將與理論建模分析所得沉降量有所偏差圍巖巖土參數(shù)選取有關。2)新奧法隧道開挖，由于隧道爆破瞬間產(chǎn)生應力釋放，在布設監(jiān)測斷面之前已經(jīng)發(fā)生部分位移，這是導致監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論模型分析數(shù)據(jù)偏差根本原因，即通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到的最終拱頂下沉位移值小于軟件建模分析所得的位移值。3)拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集受儀器精度和采集人的影響，條件允許時應在拱頂監(jiān)控量測過程中盡量保持儀器和人員相對固定原則進行監(jiān)測。