监测技术在西施坡隧道中的应用

李建伟 邓江伦 代志坤

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210000； 2.福建港城房地产开发有限公司，福建 漳州 363200)

监测技术在西施坡隧道中的应用

李建伟1邓江伦2代志坤1

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210000； 2.福建港城房地产开发有限公司，福建 漳州 363200)

以商洛市环城北路西施坡隧道为工程实例，介绍了隧道的动态监测技术，对典型断面的数据进行了回归分析，并采用ANSYS有限元软件，对隧道断面的开挖支护进行了数值模拟，将数值分析结果与实际监测数据进行了比较，以更好地指导施工和优化设计。

公路隧道，监控量测，回归分析，数值计算

21世纪是隧道及地下空间大发展的时代，对地下空间领域的研究与开发，具有极其重要的意义，“新奥法”原理也是目前隧道施工的主要理论基础[1]。所谓“新奥法”施工，就是用岩体力学理论[2]，通过对隧道围岩变形进行监控量测，采用新型支护结构，尽量利用围岩自承能力而进行隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力而达到新的平衡，最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力[3,4]。

隧道的监控量测是“新奥法”核心三要素之一，依照现场所取得的动态监测数据，及时掌控隧道围岩的变形情况。分析、检验开挖后隧道整体围岩的稳定性，优化设计参数和预测隧道围岩的变形趋势，从而来指导现场施工，确定合理的二衬施作时间。也为今后相同地质条件的隧道开挖与支护，提供设计与施工依据[5]。

本文主要结合公路隧道工程实例，分析监控量测数据。并根据区域地质条件和参数，通过有限元来模拟隧道开挖支护后的变形状况，并和实际检测的数据进行对比分析。结果显示虽然和实际检测结果有一些出入，但是相对误差在10%以内，并且两者的变形趋势是一致的，因此可以说明ANSYS可以成为指导隧道施工的辅助工具。

1 工程概况

西施坡隧道位于商洛市商州区北，为双向4车道分离式中隧道，采用新奥法施工，设计行车速度60 km/h。隧道最大埋深线约86 m，最小约14 m。隧址区地层结构简单，分为第四系全新统耕土层、第四纪上更新统粉质粘土、砂卵石和第三系紫红色砂岩、泥岩互层。隧道位于基岩低山丘陵区，穿越的地层主要为第三系泥岩、砂岩互层，区内构造较简单，褶皱、断裂不发育，属于低应力区。

2 隧道监控量测

2.1 监控量测项目及量测方法

根据周边位移、拱顶下沉和地表下沉等必测项目最好布置在同一个断面，其量测面间距和测点数应该根据隧道埋深、围岩级别、断面大小、开挖方法、支护形式等确定。隧道开挖后应及时进行围岩、初期支护的周边位移量测和拱顶下沉量测。当地表有建筑物时，应在建筑物周围增设测点。地表下沉测量应与洞内拱顶下沉和周边位移量测频率相同，并应符合以下规定：

地表下沉检测范围横向应延伸至隧道中线两侧(1～2)(b/2+h+h0)，纵向应在掌子面前后(1～2)(h+h0)(b为隧道开挖宽度;h为隧道开挖高度;h0为隧道埋深)。测点间距宜为2 m～5 m，并根据地质条件和环境调整。地表下沉检测应在隧道开挖前开始，到二次衬砌全部施工完毕，且下沉基本停止时为止。

商洛市环城北路工程西施坡隧道新奥法施工的要求，对隧道施工进行监控量测。必测项目为日常施工管理中必须进行的量测，包括：拱顶沉降、周边收敛和洞口浅埋段地表沉降监测[6]。具体项目参见表1。

表1 现场工作项目统计表

2.2 监测断面布置

西施坡隧道采用台阶法开挖，本文以对生产断面监测结果的分析为主，具体监测断面的布置见图1，图中1，2，3为拱顶监测点，A，B，C，D为收敛测点。

3 典型断面监测结果分析

以西施坡隧道入口左洞ZK4+639.0断面为例，分析研究隧道开挖对围岩稳定性的影响。该断面为Ⅳ级围岩，埋深30 m。围岩由中风化泥岩、砂岩互层组成，岩石小裂隙发育，岩石较破碎。围岩整体性较好，没有明显结构面。

3.1 拱顶监测结果分析

通过回归分析，该断面的拱顶下沉值的指数函数相关系数R2=0.973 0，指数回归方程为U=5.343exp(-3.199/T)。由图2，图3可知在隧道开挖后，拱顶下沉累计最大值为11.75 mm ，最大日下沉值为2.15 mm/d。前一周时间内拱顶沉降速率大，开挖后18 d～20 d趋于稳定，沉降速率在0.05 mm/d左右，小于0.2 mm/d。测点2变形有略微跳动，分析主要原因是隧道围岩在开挖过程中存在偏压，但未出现明显异常现象，并呈现出收敛趋势。

3.2 周边收敛监测结果分析

通过回归分析该断面AB测线累计变形的数据，其指数函数的相关系数R2=0.921，回归函数为U=7.389exp(-4.109 1/T)。由图4，图5可知，隧道周边收敛速率在9月13日趋于稳定在0.2 mm/d，最终收敛总值为8.19 mm，收敛周期约为18 d。

总体来说，根据图2～图5得出，拱顶下沉值虽偶尔有跳动，但未出现明显异常现象，并呈现收敛趋势，周边收敛也未出现特殊跳跃点。依据JTG/T F60-2009公路隧道施工技术细则中对最大位移和变形速率的要求，说明通过支护后围岩达到基本稳定。

4 数值计算

为了使监测结果有明显的对比对象，以入口左洞ZK4+639.0断面为数值模拟原型，通过ANSYS得到该断面的变形结果，评价西施坡隧道的动态监测效果，进一步分析总结围岩变形规律[7]。

4.1 模型建立

计算模型区域为长60 m、宽60 m、自地表以下30 m厚的土体，单元划分见图6。土体采用实体单元，支护结构采用梁单元，不同土体采用不同的材料参数。模型边界限制水平方向的移动，底部限制垂直移动。开挖之前，隧道在围岩自重和天然地层及其他应力场的共同作用下，形成了一个较为稳定的天然应力场，见图7。

4.2 隧道开挖支护后数值结果分析

隧道开挖及初期支护后竖向位移及水平位移见图8，图9。最大竖向位移发生在拱顶处，沉降值为11.71 mm，最大的水平位移发生在拱腰处，收敛值为8.23 mm。

由图8，图9可知隧道的初期支护对隧道变形有明显的抑制作用，主要体现在有效地抑制了拱顶沉降和净空收敛。

4.3 数值分析结果与实际检测结果对比

数值分析结果与现场动态监控量测结果对比见表2。

表2 入口左洞ZK4+639.0断面实测数据与模拟数据对比

依表2，分析其未完全同步原因主要有：1)本构一致性。实际地层岩性往往比较复杂，模拟时不能完全反映其属性。2)时效性。模拟时未考虑开挖与支护之间的时间差，可能会造成模拟结果偏小。3)人为因素。施工现场机械等外界动力作用复杂，台阶法施工产生的偏压，以及测量人员和仪器的误差等。总体来说，二者数据相似度较高，相对误差都小于10%，且收敛趋势相同。因此，通过数值模拟计算的验证，说明西施坡隧道施工过程中的动态监测结果是准确有效的。

5 体会

1)在隧道新奥法施工过程中，通过监控量测得到围岩在开挖及初支后的变形数据，是确定二衬施作时间的重要信息。同时也要结合现场的施工环境、地勘报告、围岩属性等的变化来进行综合评价，从而发挥对下一步工序进行准确而高效地指导意义。

2)本文对具体断面的开挖支护进行了数值模拟，结果比实测值偏小，但是总体的变形趋势是一致的。今后可以在本构一致性和时效性上多做研究，力求让模拟软件成为指导隧道现场施工的强有力工具。

3)监控量测对指导隧道施工有非常重要的意义，必须保持其准确性，尽量减少人为因素和其他动力源对它的影响，并需要严格贯穿于整个隧道施工过程之中。

[1] 李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京:科学出版社,1988.

[3] 刘洪洲,华蓥山.隧道新奥法施工中的位移量测分析[J].世界隧道,1999，3(3):64-68.

[4] 秦之富，唐 健.高速公路隧道监控量测及应用[J].公路交通技术,2006(4):8-10.

[5] 王海涛，贾金青.监控量测技术在乔庄隧道中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009,28(2):237-239.

[6] JTG/T F60-2009,公路隧道施工技术细则[S].

[7] 李 围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

The application of monitoring technology in the Xishipo tunnel

LI Jian-wei1DENG Jiang-lun2DAI Zhi-kun1

(1.CollegeofGlobeScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210000,China;2.FujianGangchengRealEstateDevelopmentCo.,Ltd,Zhangzhou363200,China)

Setting Shangluo North Huancheng Road Xishipo tunnel as the engineering example, the paper introduces the technology of the dynamic monitoring of the tunnel, and analysis the monitoring data of typical sections. At the same time, it utilizes the simulation software ANSYS to analyze the monitoring data of the typical cross-section, then comparing with the actual monitoring data, so as to guide the construction and optimize the design.

highway tunnel, monitoring measurement, regression analysis, numerical calculation

1009-6825(2014)28-0169-03

2014-07-24

李建伟(1987- )，男，在读硕士； 邓江伦(1987- )，男，助理工程师； 代志坤(1991- )，男，在读硕士

U452

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