老鹰山隧道拱顶下沉建模与监测比对分析

刘 志 楠

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000； 2.安徽省七星工程测试有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引言

新奥法隧道施工由于其理论基础的科学性及正确性而被广泛采用，监控量测正是新奥法隧道施工中的重要组成部分，是监控围岩与机构稳定性的重要手段，被不断运用到生产实践中[1]。监控量测是隧道施工管理中不可缺少的重要环节，在公路隧道新奥法施工中必须及时进行监控量测和信息反馈来修正隧道设计参数，以达到“动态设计、信息化施工”的目的[2]，同时也是确保隧道安全施工的重要手段之一。

隧道监控量测过程中按照动态管理量测断面的信息，正确而经济的施工，以确保施工安全，实现信息化管理；根据隧道开挖后围岩稳定性的施工信息，进行数据分析，检验施工预设计。把信息反馈给设计，以达到隧道动态设计的效果；检测数据通过分析处理及必要的计算和判断，可以预测和确定围岩的最终稳定时间，分析得出二次衬砌的最佳时机；根据积累的资料及监测成果可以作为类似隧道施工和设计的依据[3]。

1 工程概况

蒙文砚高速公路(蒙自—文山—砚山高速公路)按四车道高速公路标准建设，设计速度采用80 km/h，路基宽度为24.5 m，蒙文砚高速公路主线长137.5 km(红河州境内长48.8 km)，文山联络线9.6 km，总投资估算为125.31亿元(红河州境内39亿元)。全线共设置特大桥2座、大桥76座；长隧道5座、中隧道4座；互通式立交12处；同时建设包括1处管理中心、2处服务区和6处停车区在内的必要的交通工程、沿线设施。其中，老鹰山隧道左幅桩号为ZK14+830～ZK17+294，长2 464 m；右幅YK14+861～YK17+304，长2 453 m。根据隧址区勘探资料及现场地质素描得知隧道围岩以灰岩为主。本次计算建模分析计算段采用新奥法预留核心土法施工的Ⅴ级围岩段(ZK15+940～ZK16+170，YK16+010～YK16+210)。

2 模型建立

2.1 模型建立的参数选取

本文以新奥法预留核心土法施工进行模型建立和分析，采用有限元正分析软件进行建模，其中材料参数取值见表1。

2.2 模型的建立

通过CAD进行模型初步建立，保存成.dxf文件，然后导入有限元正分析软件中，导入模型时，需注意在同一位置不允许有重复的线段，尽量不要在线与线相交处出现短线及单位应一致等。预留核心土法开挖根据隧道开挖工序通过有限元正分析软件总共设计10个施工步。其Y位移云图如图1～图10所示。

表1 老鹰山隧道预留核心土法隧道施工对应的材料参数取值表

2.3 有限元正分析计算结果

根据有限元正分析软件采用预留核心土台阶法进行建模分析，得出老鹰山隧道该里程段拱顶最大位移下沉量为43.2 mm。拱顶下沉有限元正分析计算统计表如表2所示。

表2 预留核心土工法施工Y位移有限元正分析计算统计表

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:“-”代表拱顶下沉的向下位移

3 回归分析计算

3.1 现场监测数据的采集分析

在隧道施工过程中，对老鹰山隧道左幅ZK15+940～ZK16+170(共计230 m)及右幅YK16+010～YK16+210进行了拱顶下沉监测(共计200 m)，共设置22个拱顶下沉监测断面，采用监控量测60 d得到的数据进行分析计算，其中左幅ZK16+120监测断面拱顶下沉监测点实际累计下沉量最大，最大值S1=40.2 mm。

3.2 通过回归分析计算

对左幅ZK16+120拱顶下沉监测断面采用指数回归方程(S=a×e-b/t)计算，得出拱顶S1点的最终沉降量为40.67 mm。断面ZK16+120拱顶下沉S1点累计沉降数据统计表如表3所示，断面ZK16+120拱顶下沉累计沉降曲线图如图11所示。ZK16+120拱顶下沉断面指数回归方程计算统计表如表4所示。

根据表4数据得出：lna=3.705 5，b=1.388 5；即a=40.67 mm，将a和b代入指数回归方程S=a×e-b/t中，取t=∞代入S1=40.67e-1.388 5/t，且判定系数：r2=0.993 2；计算得出拱顶下沉S1点累计沉降的最终沉降量S1=40.67 mm。从建模分析计算得出最大沉降量为43.2 mm(根据监测数据采用回归方程计算最终拱顶下沉变形量为S=40.67 mm)，老鹰山隧道该里程段设计预留变形量为100 mm，处于Ⅴ级围岩一般～较差地段，隧道预留变形量完全可以满足实际施工变形。

表3 ZK16+120拱顶下沉S1点累计下沉降数据统计表

表4 ZK16+120拱顶下沉断面指数回归方程计算统计表

4 结语

1)实际拱顶下沉监控量测中数据计算最终沉降量将与理论建模分析所得沉降量有所偏差围岩岩土参数选取有关。2)新奥法隧道开挖，由于隧道爆破瞬间产生应力释放，在布设监测断面之前已经发生部分位移，这是导致监测数据与理论模型分析数据偏差根本原因，即通过实际监测数据分析得到的最终拱顶下沉位移值小于软件建模分析所得的位移值。3)拱顶下沉监测数据的采集受仪器精度和采集人的影响，条件允许时应在拱顶监控量测过程中尽量保持仪器和人员相对固定原则进行监测。