八达岭过境线隧道洞口段施工监测技术与分析

八达岭过境线隧道洞口段施工监测技术与分析

赵　鑫¹　高文学^2，3　张　羽⁴　王晓宏⁴　揭庆芳⁴

（1北京市路政局北京　100053；2城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室　北京　100022；3北京工业大学建工学院　北京　100022；4路桥集团国际建设股份有限公司　北京　100027）

摘　要　针对八达岭过境线隧道开挖情况，对隧道地表沉降、拱顶沉降和水平收敛等进行实时监测，并对监测数据进行分析；同时基于建立的隧道开挖数值计算模型，对地表沉降、拱顶沉降和水平收敛等进行模拟。通过现场监测和数值模拟对比，一方面用监测数据验证数值模拟的准确性，另一方面通过数值模拟来指导现场施工；基于数值模拟和现场监测分析，得出了隧道围岩变形与沉降规律，对改善隧道施工方法，提高工程质量，确保施工安全具有重要的理论意义和实用价值。

关键词　隧道开挖　监控量测　数值分析

1　引　言

信息化施工是新奥法施工的核心内容，作为信息化施工重要组成部分的隧道施工监测已成为现代隧道建设过程中的一个重要环节^［1］。根据监测数据可对已开挖区间和掌子面前方的围岩状况做出判断，对于指导隧道的安全施工具有重要意义。在隧道施工过程中，根据公路隧道施工技术规范进行隧道地表下沉、水平收敛及拱顶下沉的位移监测。一般来说，研究隧道围岩的变形情况，一方面要考察围岩变形己达到的累计位移和变形速率及其稳定状态，即所谓的“常规统计分析”，以便研究和判断围岩变形是否己经达到稳定状态，是否可能达到稳定状态；另一方面是通过计算分析（特别是回归分析）考察围岩所达到的最大变形，即所谓的“计算分析”，以便研究和判定围岩变形是否超过有关规范所允许的最大变化以及是否有发生大变形的可能，决定是否需要采取新的措施。

隧道洞口段施工时，一般要进行地表监测和洞内监测。地表监测主要是利用水准仪观测地表有无下沉，观察隧道地表有无裂缝等；洞内监测项目通常有拱顶下沉、周边位移以及地质和支护状况观察等。目前，新奥法的设计工作是在其理论基础的指导下，参考已建类似工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程对围岩的监控量测分析来完善设计。因此，量测工作是监视设计、施工是否正确的关键，是监视围岩是否安全稳定的手段，它伴随着施工的全过程，是新奥法构筑隧道非常重要的一环。针对八达岭过境线隧道洞口段开挖情况，对隧道地表沉降、拱顶沉降和水平收敛等进行实时监测和数值计算分析，一方面用监测数据验证数值模拟的准确性，另一方面通过数值模拟来指导现场施工；基于数值模拟和现场监测分析，得出隧道和围岩的变化规律，对改善隧道施工方法，提高工程质量，确保施工安全具有重要作用。

2　工程概况

八达岭过境线公路隧道位于军都山腹地，延庆八达岭镇境内，始于八达岭过境线公路，连续下穿京包铁路、八达岭长城、野生动物园、八达岭高速公路，终止于东沟村，路线全长7．198 km。设计为上下分离式双洞隧道，左、右隧道中线间距为26 m。以八达岭过境线公路隧道林场段洞口开挖为例，洞口开挖段是在既有线京包铁路正下方，既有线京包铁路在此处为“之”字形线路，共两股道，钢轨每延米50 kg；隧道左线ZK0＋330处测设中线与京包铁路相交，夹角为75°；隧道右线K0＋324处测设中线与京包铁路相交，夹角为76°。左线隧道上方京包铁路两股道在同一平面上，两股道之间有一组道岔；右线隧道上方京包铁路两股道的高差为0．5 m（如图1所示），铁路轨底与隧道结构顶端的距离约为11．4 m。

图1　隧洞洞口段平面图

八达岭过境线公路隧道隧址区主要分布燕山期侵入的花岗岩及其晚期脉岩侵入。地质构造行迹为燕山早期以来形成。在区内未形成大断层。区内构造节理主要发育两组，互为“X”形，一组走向NW330°～350°最为发育，其次一组为NE50°～70°方向，均为高倾角剪节理，节理面光滑、平直，呈闭合状，一般无填充，最大延伸可达10 m，节理间距20～100 cm，一般为20 cm以上。

图2　K0＋330处隧道洞口段测点布置图

3　隧道施工监测

根据施工规范要求，结合隧道设计和实际爆破开挖情况，对隧道进行地表沉降量测、洞内拱顶下沉、水平收敛等量测。通过对隧道施工过程的监控测量，合理安排施工程序，确保隧道施工安全和工程质量。

3．1　地表沉降

工程设计和施工要求地表铁路的整体沉降量控制在20 mm以内。现场施工监测，在隧道洞口左、右附近各布置了1个量测地表沉降的断面，每个断面布置7个测点，如图2所示。以典型断面K0＋330为例分析，绘制地表沉降值随时间变化的曲线图，如图3和图4所示。

图3　K0＋330处隧道地表沉降变化图

图4　ZK0＋330处隧道地表沉降变化图

从图中可以看出，沉降值均不大。隧道洞口段地表沉降有一些共同特点，即最大沉降点位于隧道轴线正上方的测点，沉降基本上是由中心向两边扩散。但是不同的断面，由于其自身的围岩性质和所处的地质环境不同，在沉降量的大小及沉降变形速率的快慢方面均存在着差异。

K0＋330处隧道：地表沉降最大速率为隧道正上方（4号测点），最大沉降量为0．8 mm/d，出现在隧道正上方（4号测点）。沉降在20 d左右已初步达到基本稳定，随后地表的沉降量已基本不变，总沉降量为9 mm，满足设计要求的控制在20 mm以内。

ZK0＋330隧道：地表沉降最大速率同样为隧道正上方（4号测点），最大沉降量为0．75 mm/d，出现在隧道正上方（4号测点）。沉降在30 d左右已初步达到基本稳定，随后地表的沉降量已基本不变，总沉降量为9．5 mm，满足设计要求的控制在20 mm以内。

3．2　拱顶沉降

隧道拱顶下沉监测是隧道支护设计及地层环境控制的重要基础。拱顶下沉主要用于确认围岩的稳定性。隧道拱顶沉降量测是在掌子面掘进1～2 m时布线，拱顶下沉监测时间与水平收敛基本上是同时进行的，且基本上在同一个断面，其布置示意图如图5所示。根据现场监控结果，以隧道洞口段典型断面K0＋330处拱顶变形数据为例分析，其隧道断面拱顶沉降随时间变化的曲线如图6所示。

图5　隧道洞口段测点布置图

从拱顶沉降来看，断面K0＋330处拱顶最大沉降为0．5 mm/d，达到稳定的时间为30 d。最终拱顶下沉速率趋于平稳，总沉降量为6．2 mm，围岩趋于稳定状态。

3．3　水平收敛

水平收敛是隧道围岩应力状态变化的最直观反映，量测水平收敛可为判断隧道空间的稳定性提供可靠信息，同时根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机，达到指导现场设计与施工的目的。

从图7可以看出，水平收敛值最大为0．3 mm/d，收敛在30 d基本达到稳定，最终收敛速度趋于平稳，总沉降量为5．9 mm，围岩达到稳定状态。

图6　K0＋330处拱顶沉降变化图

图7　K0＋330处水平收敛变化图

4　数值模拟

根据地质报告和现场实际地质情况，利用有限元分析软件建立力学模型。计算采用弹塑性模型、平面应变单元进行模拟。隧道围岩为Ⅳ级，采用复合型支护结构，初期支护包括在隧道拱部采用小管棚注浆加固超前预支护；在隧道边墙采用中空式注浆锚杆、格栅、钢筋网、喷射混凝土等初期支护。模型左右边界设置为水平约束，底部为竖直约束。具体计算模型如图8所示。

图8　隧道开挖模型

施工采用CRD法开挖，设计采用钻爆法进行施工。对位移变化进行分析时，主要考虑隧道拱顶最大位移和水平收敛位移。从模拟数值来看^［3］，拱顶最大位移为1．04 cm（如图9所示），约大于现场监测结果；水平方向位移主要集中在两侧边墙，边墙位移为2．2 mm，如图10所示。

图9　模型拱顶沉降分布云图

图10　模型水平收敛分布云图

5　结论与分析

有限元数值模拟是在一定的假设条件的基础上对施工过程进行仿真模拟。通过对浅埋隧道洞口段开挖进行数值模拟，并与现场监测结果进行对比分析，得出如下规律：

①现场监测，隧道洞口段地表总沉降量在9mm左右，数值模拟出来的结果为11．4mm，二者相差不大，说明数值模拟结果可以用于指导现场施工。

②通过数值模拟结果可发现，上台阶开挖时围岩水平收敛变形最大的位置在拱肩位置，最终收敛变形量为2．2 mm；在实际监测中，水平收敛变形为5．9 mm，两种结果收敛变形都较小，基本满足要求。

③从拱顶沉降来看，隧道数值模拟的结果为10．4 mm，实测数据为6．2 mm，两者有一定差异，这主要与模拟时所取的材料参数以及相关假设有关。虽然数值模拟所采用的参数均根据工程地质勘测报告及相应规范来选取，但还是与实际工程围岩存在较大差异性，同时施工过程中会受到很多偶然因素的影响。但数值模拟结果比较近似地反映实际开挖过程中围岩变形量的大小，得出的隧道围岩沉降变化规律对改善隧道施工方法，提高工程质量，具有重要的指导作用。

参考文献

［1］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］．北京：科学技术出版社，2001．

［2］方俊．隧道洞口段施工弹塑性数值模拟及变形监测的数据分析［D］．浙江：浙江大学，2007．

［3］赵鑫．岩质隧道洞口段施工及其监控技术研究［D］．北京：北京工业大学，2008．

［4］胡建明．大跨度小净距公路隧道施工监测及围岩稳定性研究［D］．重庆：重庆大学，2006．

［5］陈建勋，马建秦．隧道工程试验检测技术［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［6］黄成光．公路隧道施工［M］．北京：人民交通出版社，2001．