隧道洞口边坡及仰坡测量（多岩性构造带隧道洞口仰坡开挖变形分析技术）

金理强 冯红耀江西省现代路桥工程集团有限公司 云南建设基础设施投资股份有限公司 中咨公路养护检测技术有限公司

摘 要：由于隧道洞口多岩性接触带、构造带，存在软硬岩交叉接触，致使开挖后围岩受到扰动出现应力释放及二次重分布，坡面岩土体会沿着坡面发生滑动及沉降，甚至局部失稳。本文提出采用MATLAB软件对某公路多岩性构造带隧道洞口段仰坡及两个典型断面其位移变形进行回归分析，验证隧道开挖过程的三维模拟技术，分析开挖过程中隧道仰坡加固前后的变形及受力情况。通过数值模拟与监测数据的对比分析，确定了采用设计变更后的喷锚支护加固方式能够有效的控制仰坡的变形及受力。

关键词：隧道工程;监控量测;位移及受力;数值模拟;

本文提出采用MATLAB软件对某公路多岩性构造带隧道洞口段仰坡及两个典型断面其位移变形进行回归分析，验证隧道开挖过程的三维模拟技术，分析开挖过程中隧道仰坡加固前后的变形及受力情况。通过数值模拟与监测数据的对比分析，确定了采用设计变更后的喷锚支护加固方式能够有效的控制仰坡的变形及受力。

1 地质概况

某公路隧道隧址区范围主要地层为第四系坡残积(Qdl el)层、泥盆系下统青山组、康廊组(Dlq、K)灰岩、白云质灰岩、白云岩岩层、奥陶系下统向阳组第四段(Olx4)砂页岩岩层等多个地质单元层，隧道区内构造挤压严重，变质作用强烈，受穿越及临近断层(裂)影响强烈，构造及地层岩性复杂，辉绿辉长岩及花岗斑岩在破碎薄弱带不规则侵入，岩性变化频繁，出口端砂页岩也处于向阳背斜的东侧一翼，受背斜构造影响致使砂页岩较为破碎，形成多个复杂的断层构造带、岩性接触带、蚀变带及破碎带，对围岩的稳定性及硐室开挖影响较大。

2 监控量测测点布置与数据分析

某公路隧道采用上下台阶法开挖，针对该段V级围岩地质情况，在开挖掌子面进行爆破作业后，在尽量接近掌子面的位置布置各监控量测测点，原则上布设断面间距为5～10m为宜，根据现场围岩实际情况可缩短监测断面距离，本文拟选取K289 050、K289 040两个典型断面进行监控量测，并对采集的监控量测数据运用MATLAB软件进行回归分析，以求得出拟合曲线及极限位移值，分析隧道掘进过程中洞口端整体位移及沉降变形情况，以此来确定是否需要向施工方发布预警，加强变形段的支护，保证隧道掘进的顺利进行。

(1)各监控量测测点布置

隧道仰坡位移沉降监测点选取隧道轴线正上方12m坡脚处进行埋设，监测断面布设见图1，隧道上台阶开挖采用3榀一循环，开挖时在隧道拱顶正中央埋设1号拱顶沉降测点，分别距1号测点2m处位置各埋设2号、3号沉降测点，周边收敛以上下台阶开挖时布设的BC、DE测线为监测收敛线，监测断面布设见图1。

图1 测线及测点布置示意图 下载原图

(2)监控量测数据回归分析

基于现场监控量测采集数据绘制其累计变形位移曲线见图2～图3，回归方程及极限位移值见表1～表3。

图2 隧道地表累计沉降曲线图 下载原图

表1 K289 050断面拱顶沉降值 下载原图

表2 K289 040断面拱顶沉降值 下载原图

图3 隧道拱顶沉降及周边收敛位移曲线图 下载原图

表3 各监测断面周边收敛值 下载原图

由图3可知，隧道洞口段地表沉降最大位移值位于拱顶正上方位置，两个典型监测断面的总体趋势均为在初期阶段受到爆破及上导开挖的对周边土体及衬砌支护结构的扰动致使其增涨较大，沉降速率基本在2～3mm/d范围，在下导坑开挖时沉降及收敛值又有小幅度波动，即随着朝掌子面前方掘进的过程中，监测断面离掌子面距离越远，总体上表现为短时间内出现激增，随后逐步开始趋于平稳，基本处于稳定范围之内。由拟合曲线及表1中回归方程可知，K289 050断面1～3号拱顶测点最终沉降值为23.34mm,24.93mm,23.80mm，周边收敛值为19.11mm,K289 040断面1～3号拱顶测点最终沉降值为25.29mm,26.15mm,25.55mm，由拟合曲线及表1中回归方程可知，周边收敛值为20.91mm，当取X趋向于无限大时，K289 050～040监测断面1～3点拱顶沉降极限位移值分别为2828mm、29.92mm、28.60mm,29.36mm、30.99mm、29.61mm，周边收敛极限位移值分别为22.14mm、23.86mm，其拟合系数R均为0.91～0.96之间，根据位移速率及位移量达总位移80%的判别准则，加锚后的监测断面基本处于收敛状态，且两个典型监测断面的最大沉降量均低于临界值1/3U0，表明喷锚支护对洞口段起到了加固作用，有效的控制了隧道围岩的变形。

3 洞口仰坡受力与变形有限元分析

(1)模型建立及网格划分

根据某公路隧道两阶段施工图设计文件，本文选取V级围岩段K289 060～K289 030段进行有限元模拟，由于某公路隧道为分离式隧道且该段并不存在偏压，两洞室相互影响较小，且忽略地下水对结果的影响，本文采用midas gts nx软件对某公路隧道出口右洞进行有限元模拟，因隧道开挖会引起洞口端围岩应力的二次分布，但其影响范围有限，根据圣维南原理[6]，一定范围内开挖对周边岩体产生的扰动随距隧道距离增加而逐步减小，X方向上影响范围为2～3倍洞径，故选择模型尺寸为x×y=75m×30m,Z方向上自隧道轴线向下取30m，向上延伸至地表，仰坡及隧道划分为1.5m及1m的网格，仰坡采用喷锚支护加固，初始阶段进行位移清零，上下台阶法采用3榀一循环，开挖进尺2m，据超前地质预报显示，该地层无高地应力，因此只考虑自重应力的影响。计算模型见图4，计算参数见表4。

图4 计算模型 下载原图

表4 隧道计算参数表 下载原图

(2)计算结果分析

建立三维地层模型后，采用midas gts nx后处理进行运行分析，其位移变形及应力云图见图5～图8。

由上述云图5～图8可知，喷锚支护主要利用了锚杆与岩土体之间的联合加固作用，并利用喷浆效果将仰坡表层较松散且易滑动的土块进行了加固，提高了整体强度，由于隧道洞口段软硬岩交叉接触，开挖后围岩受到扰动进行应力释放及二次重分布，坡面岩土体会沿着坡面发生滑动及沉降，容易产生应力集中现象，甚至致使局部失稳。隧道开挖加固前仰坡应力分布及产生位移的范围较大，分别为51.2mm及0.79MPa，拱顶沉降及周边收敛值分别为45.2mm及35.2mm，进行加固后，隧道的洞口段仰坡位移及受力范围都有所减小，仰坡最大位移及应力值分别为32.4mm及0.12MPa，拱顶沉降及周边收敛值分别为27.1mm及20.9mm，主要分布在坡面中央坡脚处位置及洞口周边，且其数值与监测数据相差不大，在合理误差范围内，从而进一步验证了模型的可靠性，由此可说明洞口段仰坡喷锚加固有效的控制了隧道洞口端仰坡的下滑及围岩的变形与受力情况，提高了整体的稳定性。

图5 隧道开挖加固前后仰坡总位移云图 下载原图

图6 隧道开挖加固前后拱顶沉降总位移云图 下载原图

图7 隧道开挖加固前后周边收敛总位移云图 下载原图

图8 隧道开挖加固前后最大主应力云图 下载原图

4 结语

通过对洞口段两个典型监测断面数据进行回归分析，上台阶开挖时，拱顶沉降和周边收敛的数值及速率都相对较大，中间出现小幅度跳跃，可能由于受到施工扰动的影响，最后开始逐步趋于相对平稳状态。

通过三维模型分析，采用喷锚支护后，隧道仰坡产生的最大位移和应力分布范围及数值均有所减少，主要分布在仰坡中央的坡脚处及洞口拱顶及拱腰位置，这种主动加固方式有效的控制了隧道仰坡的位移及围岩的受力及变形情况。通过采用监测数据与三维模型进行比对，其误差在合理范围内，验证了所建立模型的可靠性，对实际工程具有一定的参考意义。后续通过对模拟数据及监测数据的深度挖掘，针对于多岩性构造带隧道洞口仰坡匹配更为合理的计算参数表是进一步研究的重点。

参考文献

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