马蹄形截面隧道施工模拟与洞壁位移影响因素

骆禹锦，李学军，2，曾开华，李汉龙，赵江倩

(1.南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099；2.贵阳市南明区水务管理局，贵州 贵阳 550002)

随着国内隧道工程建设的发展，二十一世纪地下工程和隧道工程开始进入兴建的黄金期，铁路、公路、地铁隧道、水利水电隧道都将进入高峰期。关于公路隧道数值模拟与现场施工监测，刘明才[1]利用数值模拟对大断面小净距隧道进行施工影响分析。吴波[2]等在上软下硬底层隧道方面用数值模拟解决施工中的难题。丁智[3]等通过模拟应力变化对锚杆受力影响因素进行研究。Wang[4]等对浅埋非圆形隧道的应力分布进行探讨。Gao[5]等运用数值分析和现场监测结合的方法对软岩巷道的支护体系进行优化。岳向红[6]等对隧道进行了拱顶下沉等项目的监测。Ebrahim Ghotbi Ravandi[7]等对非静水应力场中圆形、D形和改进型马蹄形隧道洞壁位移预测。王志伟[8]等认为公路隧道监控系统的研究对保证安全、畅通运行起到很大作用。申玉生[9]等对隧道施工阶段围岩数值模拟计算，指出了施工中围岩应力的危险范围、围岩支护和监控量测的关键部位。佘健[10]等将数值模拟计算与现场监测对比分析，得出小净距盾构隧道的应力分布规律。方刚[11]等将变截面隧道施工数值模拟计算中隧道围岩弹塑性应力、变形特性与现场监测结果对比分析，表明数值模拟计算结果与现场监测结果吻合度较高。这些研究成果使得公路隧道施工技术有了长足发展，但是现有的研究认为围岩位移变形研究大多是针对严格按照绕轴对称条件而建立，经典隧道收敛约束法针对的是严格绕轴对称开挖平面应变模型，这要求隧道的断面形状、所受载荷均是严格绕轴对称的，即只有圆形隧道受均匀地应力作用才是其研究对象，可以获得围岩弹塑性应力变形的理论解，这对实际两向不等地应力环境或直墙拱形隧道明显不适用。而马蹄形隧道周边由4个圆弧组成：洞顶为半圆拱，两侧接曲率半径较大的边拱，洞底为向上仰的底拱，边拱与底拱的连接处用圆弧修圆，其断面决定该隧道为马蹄形隧道。故马蹄形隧道并非为严格绕轴对称开挖平面应变模型，是典型的非绕轴对称隧道，基于此，本文采用现场监测与数值分析的方法，对马蹄形隧道洞壁位移的影响因素进行分析。

1 工程概况与地质条件

1.1 项目概述

社官坝隧道位于江西省赣州市龙南县与全南县境内，是一条上下分离的四车道公路隧道，左线隧道起讫桩号为ZK115+510～ZK115+670，洞长1.395 km，左线隧道进口为直线段，隧道出口在半径为1 320 m的左偏圆曲线上，纵坡1.5%～-0.769%，隧道埋深15～160 m；右线隧道起讫桩号为YK115+549～YK115+729，洞长1.378 km，右线隧道进口为直线段，出口在半径为1 350 m的左偏圆曲线上，纵向坡度为1.3%～-0.5%。整个隧道设计分离式结构。主洞及紧急停车区衬砌采用结构承载能力较好的曲墙式马蹄形断面。

1.2 工程地质条件

隧道进口和出口地表坡度较大，有局部的偏压现象出现。本工程岩层浅层主要为松散状粉质粘土，下伏基岩主要为层状结构强风化和中风化千枚岩。根据该隧道的岩土工程调查报告，V级围岩长度约627 m，占整个隧道44.9%；IV级围岩长度有530 m左右，占整个隧道38.0%；Ⅲ级围岩长度有238 m左右，占整个隧道17.1%。进口端基岩为强中风化或中风化千枚岩，岩层为层状千枚岩结构。出口端洞口岩层强度偏低，隧道出口地形有偏压情况。隧道洞身岩层为中风化层状千枚岩。整个隧道洞身共有4条裂隙带横穿，且都与隧洞以较大的角度相交，对隧洞围岩稳定性存在一定影响。

1.3 岩层与支护结构物理力学参数

根据社官坝隧道实际工程地质，强风化千枚岩和中风化千枚岩岩层采用广义Hoek-Brown强度准则本构关系模拟，初次衬砌支护采用壳单元模拟，二次衬砌支护采用弹性本构关系模拟。岩层与支护结构参数见表1所示。

表1 岩层与支护结构物理力学参数

2 隧道洞壁位移数值模拟

该马蹄形隧道施工数值模拟运用广义Hoek-Brown本构关系模拟，以社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件建立数值模型，研究不同地表坡度、不同隧道埋深和不同围岩等级时隧道开挖过程中隧道围岩的位移变化规律。采用FLAC3D软件进行数值分析模型的建立。对所选隧道断面拱顶、拱肩、拱脚等特征位置进行位移监测，隧道特征位置分布示意图如图1所示，分析不同地表坡角、不同隧道埋深和不同围岩等级对图中特征位置测线收敛位移的影响。

2.1 FLAC3D数值分析模型的建立

2.1.1 断面选取

马蹄形隧道数值模拟以马蹄形隧道作为模拟对象，所选马蹄形断面隧道毛洞跨度为15.1 m，洞高9.05 m，地面坡度为20°，隧道埋深为20～160 m。

2.1.2 模拟步骤

本文数值模拟采用分步开挖、分步支护模拟隧道施工过程，具体建模分析顺序为：通过FLAC3D内置基本形状网格建立网格模型→定义模型边界条件→材料赋值→分步开挖→分步衬砌→赋予衬砌材料参数→布置位移监测点→运行求解→对监测结果数据位移云图分析。

2.2 模拟位移云图分析

以地表坡角15°为例，通过上述步骤得到隧道水平方向位移云图如图2所示。

图1 位移监测特征点

图2 数值模拟隧道水平方向位移云图

由图2可知，特征点1与其对称位置特征点3位移变化情况不同，即拱肩处对称位置位移变化情况不同；特征点4与其对称位置特征点5位移变化情况不同，即拱脚处对称位置位移变化情况不同。故可初步得出马蹄形隧道洞壁对称位置位移变化情况不同。

3 隧道洞壁位移现场监测

3.1 拱顶沉降监测

根据社官坝隧道现场施工监测，对所布设的监测断面及时进行了监测，取桩号ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540断面现场实测拱顶沉降作为分析对象。现场实测拱顶累计沉降与时间关系曲线，见图3所示。

由图3可以看出，ZK115+510，ZK115+520，ZK115+530，ZK115+540断面现场实测拱顶累计沉降位移随时间天数增加逐渐增加，隧道拱顶累计沉降位移在开挖后35 d左右，趋于稳定。

3.2 周边收敛位移监测

根据社官坝隧道现场施工监测，对所布设的监测断面及时进行了监测，取桩号ZK115+530断面1-2，2-3，1-3，2-4，2-5，4-5测线实测收敛位移作为分析对象，ZK115+530断面各测线实测收敛位移曲线如图4所示。

图3 实测累计拱顶沉降与时间关系曲线 图4 实测累计周边收敛位移与时间关系曲线

由图4可知，ZK115+530断面对称测线的收敛位移趋于稳定值不等，说明隧道在对称位置的测线收敛位移与以往理论认为的对称位置的收敛位移一致相悖，因此隧道工程支护设计按照轴对称情况下经典收敛约束法进行设计明显与实际不符。

4 现场实测与数值模拟对比分析

4.1 拱顶沉降对比

根据社官坝隧道现场施工监测，按照公路隧道施工规范要求，本小节选取桩号ZK115+530断面作为分析对象，将现场实测数据与数值模拟数据对比分析。数值模拟选取社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件，以IV级围岩，地表坡角20 °，隧道埋深为20 m为条件建立数值模型分析，采用history命令监测ZK115+530断面拱顶沉降。断面ZK115+530实测拱顶沉降和数值模拟拱顶沉降曲线如图5所示。

由图5可以看出，ZK115+530断面数值模拟的拱顶沉降与现场实测的拱顶沉降随开挖后间隔时间的增加隧道拱顶下沉趋势一致，但数值模拟的拱顶沉降比现场实测的拱顶沉降大；由于数值模拟假定的围岩力学参数与实际围岩力学参数存在一定差异，隧道拱顶沉降位移增加，导致实测拱顶沉降与数值模拟拱顶沉降值产生差异，但两者变化趋势一致。现场实测拱顶沉降下沉至10.5 mm时就几乎达到稳定，而数值模拟拱顶沉降下沉至12.3 mm才达到稳定。

4.2 周边收敛位移对比

按照公路隧道施工规范要求，根据社官坝隧道现场施工监测，本小节选取桩号ZK115+530断面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5测线实测收敛位移作为分析对象，将现场实测数据与数值模拟数据对比分析。数值模拟选取社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件，以IV级围岩，地表坡角20°，隧道埋深为20m为条件建立数值模型分析，采用history命令监测ZK115+530断面1-2、2-3、1-3、2-4、2-5、4-5测线收敛位移。ZK115+530断面数值模拟收敛位移曲线如图6所示。

由图4和图6中可以看出，ZK115+530断面1-2测线、2-3测线、2-4测线、2-5测线数值模拟收敛位移与现场实测收敛位移趋势一致，但数值模拟收敛位移略小于实测收敛位移；1-3测线和4-5测线数值模拟收敛位移与实测收敛位移差别较大，数值模拟收敛位移偏小。

5 洞壁位移影响因素分析

5.1 地表坡角

以社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件，研究地表坡角对马蹄形隧道洞壁位移的影响。选取埋深为20m时ZK115+530断面为研究对象，分析不同地表坡角对隧道施工中洞壁位移的影响。通过FLAC3D软件history命令监测不同地表坡角隧道断面测线的收敛位移，不同地表坡角隧道测线位移与计算步数的关系如图7所示。

图7 不同地表坡角隧道测线位移曲线

由图7中可以看出，隧道测线位移随地表坡角的增加，而逐渐增加。当地表坡角等于0°时，隧道测线位移随计算步数增加几乎没有变化；当地表坡角等于45°时，隧道测线位移随计算步数增加，而逐渐增加，在S10步时，位移出现骤降点，在S45步时，位移逐步达到稳定，最大测线位移为9mm。经计算水平位移在其不同对称点位置处收敛程度不同，且地表坡角对水平位移的影响较小。

5.2 埋深

以社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件，分析隧道埋深对马蹄形隧道洞壁位移的影响。

选取地表坡角为20°时ZK115+530断面为研究对象，分析不同埋深对隧道施工洞壁位移的作用效应。通过FLAC3D软件history命令监测不同埋深隧道断面测线的收敛位移，不同埋深隧道各测线位移与计算步数的关系见图8所示。

图8 不同埋深隧道测线位移曲线

由图8中可以看出，隧道测线位移随埋深的加大，而逐步增加。当埋深等于5 m时，隧道测线位移随计算步数增加而逐渐增加，在S10步时，位移出现骤降，最大测线位移为3 mm；当埋深等于40 m时，测线位移随计算步数增加而逐渐增加，在S10步时，位移出现骤降，在S45步后时，测线位移逐步达到稳定，最大测线位移为18 mm。由此可见，埋深在40 m范围内随隧道埋深的增加，隧道拱轴线两侧荷载增加，隧道洞壁位移也增加，当埋深继续增加时，洞壁位移趋于稳定极限值。经计算水平位移在其不同对称点位置处收敛程度不同，且埋深较浅时对水平位移的影响较大。

5.3 围岩等级

以社官坝隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件，分析围岩等级对马蹄形隧道洞壁位移的影响。

选取地表坡角为20°，埋深为20m时ZK115+530断面为研究对象，分析不同围岩地质强度指标值(GSI)对隧道施工洞壁位移的作用效应。通过FLAC3D软件history命令监测不同围岩等级隧道断面测线的收敛位移，不同围岩等级隧道测线位移与计算步数的关系见图9所示。

由图9中可以看出，隧道测线位移随GSI的减小，而逐步增加。当GSI为20时，测线位移随计算步数增加，而逐渐增加，在S10步时，位移出现骤降，最大测线位移为9.86mm；当GSI为50时，测线位移随计算步数增加，而逐渐增加，无明显骤降点，测线位移逐步达到稳定，最大测线位移为2.86mm。由此可见，随隧道围岩等级的增加，围岩性状发生改变，GSI发生改变，围岩强度逐渐减小，隧道洞壁位移也随之增加。经计算水平位移在其不同对称点位置处收敛程度不同，且围岩等级对水平位移的影响较大。

6 结语

本文通过现场洞内收敛位移监测，并使用FLAC3D软件建立以隧道ZK115+520～ZK115+540区段断面实际工程地质条件的数值模型，研究地表坡度、埋深、围岩等级对马蹄形隧道洞壁位移的影响，得出以下结论：

(1)以赣州社官坝隧道工程为背景，通过现场监测与数值模拟对比分析，在出现洞壁对称位置位移变化情况不同后，数值模拟洞壁位移趋势与实测一致，说明数值模拟充分考虑现场实际状态有一定借鉴价值。

(2)数值分析结果表明，隧道拱顶沉降各测线水平位移在其不同对称点位置上收敛位移程度不同，但地表坡角对水平位移的影响较小，而埋深、围岩等级对水平位移的影响较大。

(3)关于埋深对于洞壁位移的影响，埋深较小时，隧道拱顶、拱肩、拱脚位置出现洞壁对称位置位移变化情况不同更明显；埋深在40 m范围内随着埋深的增加，对称位置收敛位移出现偏差，且偏差随埋深增加而减小。

(4)关于围岩等级对于洞壁位移的影响，随隧道围岩等级的增加，隧道围岩强度减小，隧道收敛位移增加，随围岩等级增加，隧道拱顶、拱肩、拱脚位置出现洞壁对称位置位移变化情况出现偏差明显。

(5)综合上述3种影响因素分析，在支护设计时，对隧道拱肩和拱脚位置偏压围岩支护设计及施工加强考虑。