曹源隧道施工动态监测与有限元模拟分析

■　张燕清（三明市交通建设投资有限公司，三明　365000）



曹源隧道施工动态监测与有限元模拟分析

■张燕清
（三明市交通建设投资有限公司，三明365000）

摘要针对公路隧道施工过程中围岩应力应变的复杂变化过程，本文基于三维有限元分析法和隧道施工动态监测，研究了泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道洞身开挖过程中围岩应力、位移变化规律，研究结果可为隧道动态化设计、施工等提供参考。

关键词隧道施工效应监控量测位移有限元分析

1　概述

在隧道施工过程中，施工对隧道周边围岩产生一个动态的扰动，打破了岩体内原岩应力场的平衡状态，导致隧道围岩发生卸荷回弹和应力重分布。且由施工而引起的围岩应力状态变化改变了隧道围岩的力学性能，导致岩体强度降低，并最终影响隧道围岩的变形量及其破坏模式。

新奥法基本观点就是根据岩体力学理论，着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念。通过施工过程对围岩和支护的动态观察、变形量测、应力监测、弹性波测试等，合理安排施工顺序，调整支护参数，进行设计变更以及日常的施工管理。此外，通过计算机数值模拟和一定的岩土本构关系模型，还可反演推算推求围岩中的应力场和位移场，据此推断围岩的稳定状态，调整支护或衬砌设计参数，使得支护与衬砌设计参数与围岩条件相协调，施工方案不断得到优化。

泉（州）至三（明）高速公路SMA13合同段曹源隧道出口段围岩岩性为黄褐色残积粘性土，湿润可塑，系二迭系栖霞组硅质岩，强烈风化所致，风化岩厚度大，岩性松软，不稳定，地下水较为发育。本文依据曹源隧道地质条件，针对我省公路隧道结构形式下洞身开挖进行有限元分析，并结合监控量测结果，探讨隧道施工过程中围岩内特征点的应力、位移变化规律。

2　计算模型及基本原理

2.1计算模型及参数

本文基于三维有限元分析方法，为方便计算，围岩当作连续介质考虑，岩性均一，各向同性体。计算中不考虑构造应力场的影响，荷载只考虑自重。除上部边界面自由外，其它边界面均具有法向约束。计算中围岩采用四面体实体单元，衬砌采用板单元，锚杆采用杆单元。如图1所示。

分析中所采用的模型及介质参数详见表1，围岩等级按Ⅳ级、Ⅴ级考虑，隧道横截面为三心圆加仰拱的形式，隧道宽11.7m，高8.0m，高宽比为0.69。为简化计算，分析中不考虑二衬的作用，主要考虑开挖和初衬的影响，初衬采用喷射混凝土加锚杆方式支护。衬砌厚度为0.2m，锚杆长度为3.5m。

图1　围岩网格划分示意图

表1　各介质力学参数

2.2基本原理

岩体的弹塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服准则，衬砌和锚杆采用线弹性本构关系。隧道开挖施工过程主要包括岩体分步开挖及支护结构的分步设置等。

对各施工阶段的状态，有限元分析的表达式为：

式中，L——施工步数；

［K］0——开挖前岩体等的初始刚度矩阵；

［K］i（i≥1）——第i施工步岩体和支护结构总刚度矩阵；

｛ΔFr｝i——第i施工步开挖边界上的释放荷载的等效结点力，初次开挖由岩体的自重、地下水荷载、地面超载等确定，其后各开挖步由当前应力状态决定；

｛ΔFg｝i——第i施工步新增自重等的等效结点力；

｛ΔFp｝i——第i施工步增量荷载的等效结点力；

｛Δδ｝i——第i施工步的结点位移增量。

对每个施工步，增量加载过程的有限元分析的表达式为：

式中，M——各施工步增量加载的次数；

［K］ij——第i施工步中施加第j增量步时的刚度矩阵；

｛Δδ｝ij——第i施工步中施加第j增量步的结点位移增量；

｛ΔFg｝ij——第i施工步中施加第j增量步新增自重等的等效结点力；

｛ΔFp｝ij——第i施工步中施加第j增量步增量荷载的等效结点力。

3　计算结果分析

3.1施工对隧道围岩应力影响

选取隧道拱顶A、拱腰B、拱底C共3个特征点，如图2，分析施工全过程中应力变化特征，结果参见图3，其中图（a）为x、y、z方向正应力变化曲线，图（b）为三个主应力变化曲线。图中坐标轴横轴表示计算点距掌子面的距离，负值表示掌子面还未到分析点所处的断面。以压应力计正，拉应力计负。

（1）拱顶A点，如图3所示。

图2　隧道截面几何尺寸示意图

图3　施工过程中拱顶A点应力变化曲线

随着掌子面的推进，x方向正应力σxx逐渐增加，掌子面达到测点位置时测点σxx减小，其后又增加，其值始终大于初始值。y方向测点正应力σyy开始逐渐减小，在掌子面距离测点位置4m处开始增大；在掌子面处于测点前方2m处达到最大值，并在下一个施工步骤减；随着掌子面与测点距离的加大，施工对测点σyy的影响逐渐减小，甚至在一定距离后，σyy出现增加趋势；当掌子面在测点前方时，测点的σyy值要大于初始值。z方向测点正应力σzz逐渐增加，当掌子面推进至测点位置时，σzz出现最大值，并在下一个施工步急剧减小；当掌子面至测点前方4m位置处，σzz开始逐渐增加，但其值小于初始值。至开挖结束，竖向应力小于水平向应力，且以σxx为最大，主应力轴发生明显偏转。

对于主应力，随着掌子面的推进，测点最大主应力σ1一直增大，在掌子面处于测点前方2m位置处，σ1达到最大值；在下一个施工步出现骤减，其后缓慢增加；当掌子面处在测点前方时，测点的σ1值略大于初始值。σ2随掌子面的推进而增大，在掌子面达到测点位置时，测点σ2达到最大值；其后逐渐减小，在掌子面处于测点前方一定位置处，测点σ2出现增大趋势；其值始终大于初始值。测点σ3随掌子面的推进而减小，并在距离测点4m位置处达到极小值；而后增大，并在掌子面达到测点位置时σ3出现最大值；但在下一个施工步其值骤减，并达到负值，出现拉应力；在其后施工中，测点σ3又增大，呈现震荡特征；随着掌子面与测点距离的增大，σ3趋向稳定，但其值始终小于初始值。

（2）拱腰B点，如图4所示。

图4　施工过程中拱腰B点应力变化曲线

测点方向正应力σxx在第一个施工步出现减小；随着掌子面的推进，σxx逐渐缓慢增加，在掌子面附近出现较大增幅，并当掌子面处在测点位置时，达到最大值；在下一个施工步出现大幅度减小，而后逐渐增大；当掌子面在测点前方时，测点σxx值略小于初始值。随着掌子面的推进，测点y方向正应力σyy略有减小，在掌子面距离测点4m位置处开始增大；并当掌子面达到测点位置时，达到最大值；在下一个施工步出现减小，其后逐渐增大；掌子面处于测点前方，测点σyy值大于初始值。随着掌子面的推进，测点z方向正应力σzz一直在增大，并在掌子面达到测点的前一个施工步，σzz出现较大增幅，其值始终大于初始值。至施工结束，σyy大于σxx。

测点主应力σ1的变化趋势与σzz一致。σ2的变化趋势与σxx一致。σ3的变化趋势与σyy一致。施工前σ2与σ3值相等，施工结束二者差值较大。

（3）拱底C点，如图5所示。

图5　施工过程中拱底C点应力变化曲线

随着掌子面的推进，σxx逐渐增大，当掌子面达到测点位置时，其值达到最大，而后减小，并趋于稳定，但在掌子面到达到测点之后的下一个施工步，测点σxx值降幅明显。测点σyy随掌子面推进逐渐减小；在距离测点2m处增大，并在掌子面处于测点前方2m处达到最大值；其后减小，并随掌子面与测点距离增大而逐渐趋于稳定。测点σzz先随掌子面推进逐渐增大，在掌子面达到测点位置时出现最大值；在其后一个施工步出现骤减，而后逐渐达到稳定。施工结束测点σxx仍与σyy值接近，但其值大于σzz，说明施工过程中，测点最大主应力轴发生了明显偏转。

测点σ1变化趋势与σzz近似，但其最大值出现在掌子面处于测点前方2m位置。测点σ2变化趋势与σxx一致。测点σ3值随掌子面推进先逐渐减小，掌子面距离测点2m位置处出现增大；当掌子面开挖至测点位置时，测点值出现最大值；在下一个施工步出现骤减，其值小于0，出现拉应力；但是在下一个施工步又出现较大增幅，呈现震荡特征；随着掌子面与测点距离增大，测点σ3值逐渐趋于稳定。开挖结束，主应力σ1与σ2接近。

3.2施工对隧道围岩位移影响

x方向位移以向洞内方向变化计正，以向围岩方向变化计负。y方向位移以沿掘进方向变化计正，逆掘进方向变化计负。z方向位移向上隆起计正，向下沉降计负。

（1）拱顶A点，如图6所示。

由于模型沿隧道轴线方向对称，所以测点沿x方向位移为0。对于测点沿y方向的位移，随着掌子面的推进，测点产生逆掘进方向的位移，当掌子面达到测点位置时，位移达到最大值；随着施工继续，逆掘进方向位移逐渐减小，并产生顺掘进方向的位移。对于测点沿z方向的变形，测点随掌子面的推进而不断沉降。掌子面处在测点附近时，施工引起测点位置围岩发生较大幅度变形，随着掌子面的持续推进，变形缓慢增加。三个方向的变形以z方向变形量最大，相应的监控量测应以竖向为主。

图6　施工过程中拱顶A点位移变化曲线

（2）拱腰B点，如图7所示。

推着掌子面的推进，测点产生沿洞内方向的位移；当掌子面开挖至测点处，位移增幅显著，且达到最大值；随着掌子面继续推进，朝向洞内的位移值变小。对于y方向的位移，测点先产生逆掘进方向的位移，当掌子面到达测点处，测点沿y方向位移达到最大值，而后逐渐减小；掌子面处于测点前方10m处，测点逆掘进方向位移开始缓慢增加。对于竖向位移，开始阶段测点处产生隆起变形，且在掌子面处于测点处时，隆起变形最大；而后变形量减小，当掌子面处于测点前方10m位置时，测点处开始产生沉降，且沉降量随施工的进行而增加。三个方向变形中，以测点沿x方向变形量最大，相应变形监控量测应以水平向周边收敛为主。

图7　施工过程中拱腰B点位移变化曲线

在进行监测数据分析时，应注意变形特点，对于拱腰水平收敛变形，在掌子面距离测点一定距离处，测点围岩发生朝围岩方向变形属于正常现象。

（3）仰拱C点，如图8所示。

由于模型沿隧道轴线方向对称，所以测点沿x方向位移为0。对于y方向的位移，随着掌子面的推进，测点产生逆掘进方向的位移，在掌子面达到测点位置时，测点y方向位移最大；而后变形量减小，趋近于零。

对于测点沿z方向的变形，测点位置岩体随掌子面的推进而不断隆起。掌子面处在测点附近时，施工引起测点位置围岩发生较大隆起，后续施工对变形影响量较小。测点变形以竖向隆起最显著，仰拱变形监控量测应以竖向为主。

由于受条件限制，洞内监测只能在掘进至待监测断面并进行监控布点后才能观测到围岩变形。事实上围岩在隧道一开始开挖即受到扰动而产生变形，所以洞内监测到的数据反映不出该点测点位置前期开挖产生的变形。洞外监测项目，如地表沉降观测，应充分考虑到这一变形特点，在隧道掌子面前方埋设好测点，并获取相关数据，充分了解隧道施工对围岩的扰动。

图8　施工过程中仰拱C点位移变化曲线

4　实测结果分析

4.1曹源隧道监测结果

泉三高速公路曹源隧道出口段围岩岩性为黄褐色残积粘性土，湿润可塑，系二迭系栖霞组硅质岩，强烈风化所致，风化岩厚度大，岩性松软，不稳定，地下水较为发育。施工过程采用锚杆、钢筋网、钢拱架联合支护，及时施作仰拱，掌子面附近除保留核心土外，中部还添加钢支撑。

通过在拱顶、左右拱腰布设监控量测点，曹源隧道的施工监控量测中多次预测到险情，获得几次临界破坏经验值。

（1）曹源隧道左洞出口

2007年4月12日、13日ZK244+715左侧地表沉降突然增大，地表出现明显裂缝，监测组当日通过电话及时通知，并形成反馈单及时反馈给各有关单位，同时建议：立即停止施工，紧急加固。施工单位即刻停止施工，采取木头、钢支撑等措施紧急加密加固，14日晚一场中雨，15日凌晨洞内掌子面土样呈流塑状态出现，并发展成泥流，于当日11时左右在ZK244+709附近冒顶3m2左右。由于洞内泥泞不堪，快挖快支护，施工工艺复杂，洞内无法组织拱顶下沉观测，故缺乏拱顶下沉监测值。临界破坏地表沉降和收敛值见表2。

表2　临界破坏地表沉降值与收敛值

（2）曹源隧道右洞出口

2007年5月12日，受下台阶开挖影响，YK244+ 655周边收敛、拱顶下沉和YK244+641地表沉降急剧增大，且下台阶水平收敛变化最大，达23.73mm，下台阶部位见较多裂缝，外鼓，13日、14日裂缝发展，变形加剧，为围岩往洞内推移，“内敛”所致，及时反馈给有关各方（发反馈单cyfk-002）后，施工单位及时在YK244+655附近下台阶两侧各布设8根U型钢斜支撑加固，变形停止，基本稳定。监测到的水平收敛值临界点见表3。

表3　临界破坏水平周边收敛值与稳定值

4.2实测数据变形规律分析

通过对泉三高速公路曹源隧道各监测断面结果整理，与掌子面距离1B至5B时围岩变形的监测数据如图9所示，从统计资料可以看出：

（1）距掌子面距离超过3B，围岩基本稳定。当然，如下台阶开挖等施工，又进一步扰动围岩，相应断面的变形继续。

（2）相对拱顶沉降和周边收敛项目，地表沉降监测到的数据规律性更强一些，这主要是因为地表沉降观测几乎不受施工影响之故，而且与可以在开挖断面未通过监测断面时即可获得初始值有关。由于爆破、施工影响，布点不及时等，都易造成洞内监测项目无法获得最初变形值。

（3）从总体平均上看，实际监测数据与理论计算规律一致。即距掌子面1B完成变形50％左右；2B时完成75％；3B时则为85％；（4～6）B基本收敛。

图9　实测变形完成量与距掌子面距离关系

5　结论

本文基于三维有限元方法，对泉三高速公路曹源隧道进行了围岩应力和位移的洞身开挖影响分析，并结合监控量测分析结果，得出主要结论如下：

（1）隧道开挖是一个复杂的先加载后卸载的过程，这种循环荷载易造成低强度围岩发生屈服破坏，从而丧失稳定性。隧道开挖卸荷效应在隧道拱底表现最为明显，拱顶次之，拱腰最弱。

（2）隧道围岩变形经历了一个较为复杂的过程：对于拱顶和仰拱而言，竖向变形持续增加最后达到稳定，横向变形相对稳定，纵向变形先增加后减小；对于仰拱而言，横向位移在增加后会出现一个减小的过程。

（3）隧道变形监控量测中，拱顶和仰拱应以监测竖向变形为主，即拱顶下沉和仰拱隆起；拱腰以监测水平向周边收敛为主。洞内监测数据一般无法反映前期施工对围岩产生的扰动影响；洞外监测应提前布点，充分了解施工扰动效应。

（4）监测结果表明，变形主要发生在距离掌子面3B距离以内，距掌子面超过3B距离时围岩基本稳定，距离掌子面（4～6）B距离时基本收敛。

参考文献

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