公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)耦合機制及應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道作為交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加。在復(fù)雜的地形條件下，連拱隧道以其獨特的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。連拱隧道是一種將兩座隧道通過中墻連接在一起的結(jié)構(gòu)形式，具有受地形條件限制小、線形順暢、引線占地少、跨度大、空間利用率高、結(jié)構(gòu)整體性好以及綜合造價低等特點。例如在山區(qū)高速公路建設(shè)中，當遇到地形狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況時，連拱隧道能夠有效地減少對周邊環(huán)境的破壞，降低工程建設(shè)成本，同時保證交通的順暢。在一些城市的地下交通建設(shè)中，連拱隧道也因其空間利用率高的特點，被用于建設(shè)地鐵隧道或城市快速路隧道。然而，連拱隧道的結(jié)構(gòu)和施工過程相對復(fù)雜，其在應(yīng)用和研究方面還處于不斷探索和完善的階段。由于連拱隧道需要分部開挖，對圍巖擾動頻繁，而且部分初期支護需要拆除，所以在施工過程中，圍巖的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)面臨諸多挑戰(zhàn)。隧道施工過程中可能會出現(xiàn)圍巖坍塌、支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等安全事故，不僅會影響工程進度和質(zhì)量，還可能造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。如果不能準確掌握圍巖的變形規(guī)律和支護結(jié)構(gòu)的受力特性，就難以保證隧道的長期穩(wěn)定性和運營安全。開展公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過監(jiān)控量測，可以實時獲取隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解隧道施工過程中的力學(xué)行為，揭示圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用機制，為優(yōu)化施工工藝和支護參數(shù)提供理論支持。這不僅有助于保障工程安全，提高施工質(zhì)量，還能夠降低工程成本，推動公路隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在公路連拱隧道監(jiān)控量測技術(shù)方面，國內(nèi)外學(xué)者和工程人員進行了大量的研究和實踐。國外發(fā)達國家如日本、美國、德國等，在隧道監(jiān)控量測技術(shù)上起步較早，技術(shù)相對成熟。日本在隧道施工中廣泛應(yīng)用了高精度的位移計、壓力盒等監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崟r準確地獲取圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)。美國則注重監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集和信息化管理，通過建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道施工過程的全方位監(jiān)控。在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工中，德國采用了先進的無損檢測技術(shù)，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進行檢測和評估，確保了隧道的施工質(zhì)量和安全。國內(nèi)在公路連拱隧道監(jiān)控量測技術(shù)方面也取得了顯著進展。隨著我國公路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，監(jiān)控量測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。眾多學(xué)者和工程人員結(jié)合國內(nèi)隧道工程的實際情況，對監(jiān)控量測的方法、內(nèi)容、頻率等進行了深入研究。在監(jiān)測方法上，除了傳統(tǒng)的水準儀、全站儀等測量工具外，還引入了光纖傳感技術(shù)、雷達測量技術(shù)等先進手段。光纖傳感技術(shù)具有高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的分布式監(jiān)測；雷達測量技術(shù)則可以快速、準確地獲取隧道圍巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，為隧道施工提供了有力的技術(shù)支持。在監(jiān)測內(nèi)容方面，不僅關(guān)注圍巖的變形和應(yīng)力，還對隧道的滲漏水、通風、照明等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，以確保隧道的安全運營。在公路連拱隧道施工力學(xué)理論方面，國內(nèi)外的研究也在不斷深入。國外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，對連拱隧道的施工力學(xué)特性進行了系統(tǒng)研究。在理論分析方面，建立了多種力學(xué)模型，如彈性力學(xué)模型、彈塑性力學(xué)模型等，用于分析隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，運用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等，對隧道施工過程進行模擬，預(yù)測隧道施工過程中的力學(xué)響應(yīng)，為施工方案的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在現(xiàn)場試驗方面，通過在實際隧道工程中埋設(shè)監(jiān)測儀器，獲取了大量的實測數(shù)據(jù)，驗證了理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。國內(nèi)學(xué)者在施工力學(xué)理論研究方面也取得了豐碩成果。針對我國復(fù)雜的地質(zhì)條件和多樣的隧道施工方法，提出了許多適合我國國情的施工力學(xué)理論和方法。在連拱隧道的結(jié)構(gòu)受力分析方面，考慮了中墻的受力特性、圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用等因素，建立了更加完善的力學(xué)分析模型。在施工過程的力學(xué)研究中，結(jié)合新奧法原理，對隧道的開挖、支護、襯砌等工序進行了力學(xué)分析，提出了合理的施工順序和支護時機。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對連拱隧道施工過程中的力學(xué)行為進行了深入研究，為隧道施工的安全和質(zhì)量提供了保障。在公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)的結(jié)合應(yīng)用方面，國內(nèi)外也有一定的研究成果。通過將監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與施工力學(xué)分析相結(jié)合，實現(xiàn)了對隧道施工過程的動態(tài)控制和優(yōu)化。在實際工程中，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整施工方案和支護參數(shù)，有效地保證了隧道施工的安全和質(zhì)量。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在監(jiān)控量測技術(shù)方面，監(jiān)測設(shè)備的精度和可靠性還有待提高，監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析方法還不夠完善，難以實現(xiàn)對隧道施工過程的實時、準確評估。在施工力學(xué)理論方面，現(xiàn)有的力學(xué)模型還不能完全準確地反映隧道施工過程中的復(fù)雜力學(xué)行為，對一些特殊地質(zhì)條件下的隧道施工力學(xué)研究還不夠深入。在兩者的結(jié)合應(yīng)用方面，缺乏系統(tǒng)的理論和方法體系，難以實現(xiàn)監(jiān)控量測與施工力學(xué)的有機融合。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文主要圍繞公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)展開深入研究，具體涵蓋以下三個方面：公路連拱隧道監(jiān)控量測方案設(shè)計：針對公路連拱隧道的結(jié)構(gòu)特點和施工工藝，精心設(shè)計全面、科學(xué)的監(jiān)控量測方案。明確必測項目，包括圍巖地質(zhì)和支護情況觀察、拱頂下沉觀測、周邊收斂觀測等，這些項目是判斷隧道圍巖狀況和初期支護工作狀態(tài)的關(guān)鍵依據(jù)。同時，合理確定選測項目，如圍巖與支護接觸壓力、圍巖內(nèi)部位移、噴射混凝土應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、支護鋼架應(yīng)力等，以深入了解隧道支護襯砌的受力承載特性，為隧道設(shè)計和施工提供更豐富的信息。對各監(jiān)測項目的測點布置進行詳細規(guī)劃，確保測點能夠準確反映隧道關(guān)鍵部位的力學(xué)狀態(tài)變化。確定監(jiān)測頻率，根據(jù)隧道施工進度和圍巖穩(wěn)定性實時調(diào)整，以保證能夠及時捕捉到隧道施工過程中的異常情況。公路連拱隧道施工力學(xué)分析：運用先進的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立高精度的公路連拱隧道施工力學(xué)模型。模擬隧道在不同施工階段的開挖和支護過程，深入分析圍巖的應(yīng)力場、位移場以及支護結(jié)構(gòu)的受力特性。通過模擬，預(yù)測隧道施工過程中可能出現(xiàn)的潛在問題，如圍巖局部失穩(wěn)、支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中等，為制定合理的施工方案和支護措施提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合具體工程案例，對隧道施工過程中的力學(xué)行為進行現(xiàn)場實測研究。在隧道內(nèi)埋設(shè)各類監(jiān)測儀器，如壓力盒、應(yīng)變計、位移計等，實時采集圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。對比實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，驗證數(shù)值模擬模型的準確性和可靠性，同時深入分析隧道施工過程中力學(xué)行為的實際變化規(guī)律。公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)關(guān)聯(lián)研究：深入研究監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與施工力學(xué)分析之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立基于監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的施工力學(xué)反饋機制。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的實時分析，及時調(diào)整施工力學(xué)模型的參數(shù)，實現(xiàn)對隧道施工過程的動態(tài)模擬和預(yù)測。利用施工力學(xué)分析結(jié)果，指導(dǎo)監(jiān)控量測方案的優(yōu)化，合理調(diào)整監(jiān)測項目、測點布置和監(jiān)測頻率，提高監(jiān)控量測的針對性和有效性。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和施工力學(xué)分析結(jié)果，共同指導(dǎo)公路連拱隧道的施工決策。當監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示圍巖或支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時，結(jié)合施工力學(xué)分析結(jié)果，及時采取有效的工程措施，如加強支護、調(diào)整施工順序等，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本文將綜合運用以下研究方法：數(shù)值模擬方法：借助專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等，構(gòu)建公路連拱隧道的三維數(shù)值模型。在模型中，精確模擬隧道的開挖過程、支護結(jié)構(gòu)的施作以及圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用。通過設(shè)置合理的材料參數(shù)、邊界條件和施工步序，對隧道施工過程中的力學(xué)響應(yīng)進行全面、細致的分析。數(shù)值模擬方法能夠直觀地展示隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況，為研究隧道施工力學(xué)特性提供了有力的工具?，F(xiàn)場監(jiān)測方法：在實際公路連拱隧道工程中，嚴格按照設(shè)計好的監(jiān)控量測方案進行現(xiàn)場監(jiān)測。采用先進的監(jiān)測儀器和設(shè)備，如全站儀、水準儀、收斂計、壓力盒、應(yīng)變計等，對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等參數(shù)進行實時監(jiān)測。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取真實、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是驗證數(shù)值模擬結(jié)果、分析隧道施工力學(xué)行為的重要依據(jù)。同時，現(xiàn)場監(jiān)測還能夠及時發(fā)現(xiàn)隧道施工過程中出現(xiàn)的安全隱患，為施工決策提供及時、準確的信息。理論分析方法：運用隧道力學(xué)、巖土力學(xué)等相關(guān)理論，對公路連拱隧道的施工力學(xué)特性進行深入分析。建立合理的力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)的計算公式，從理論層面解釋隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。理論分析方法能夠為數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測提供理論支持，幫助理解監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的物理意義，同時也能夠為隧道設(shè)計和施工提供理論指導(dǎo)。對比分析方法：將數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果進行全面、系統(tǒng)的對比分析。通過對比，找出不同方法之間的差異和聯(lián)系，驗證研究結(jié)果的準確性和可靠性。對比分析方法還能夠幫助發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究的不足之處，為進一步改進研究方法和完善研究內(nèi)容提供方向。在不同施工階段、不同地質(zhì)條件下，對隧道的力學(xué)響應(yīng)進行對比分析，總結(jié)規(guī)律，為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。二、公路連拱隧道監(jiān)控量測技術(shù)2.1監(jiān)控量測目的與內(nèi)容2.1.1目的公路連拱隧道監(jiān)控量測的目的是多方面且極其重要的，它貫穿于隧道工程的整個生命周期，從施工階段到運營階段，都發(fā)揮著不可或缺的作用。在施工階段，監(jiān)控量測是保障施工安全的關(guān)鍵防線。連拱隧道施工過程復(fù)雜，涉及多個施工工序和大量的巖土工程作業(yè)，圍巖和支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)時刻處于動態(tài)變化之中。通過對隧道施工過程中的各項參數(shù)進行實時監(jiān)測，如圍巖位移、應(yīng)力、支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力等，可以及時捕捉到圍巖和支護結(jié)構(gòu)的異常變化。一旦發(fā)現(xiàn)變形速率過快、應(yīng)力超過設(shè)計閾值等危險信號，施工人員能夠立即采取有效的應(yīng)對措施，如加強支護、調(diào)整施工順序或暫停施工等，從而避免隧道坍塌、涌水等重大安全事故的發(fā)生，確保施工人員的生命安全和工程的順利進行。在某連拱隧道施工中，通過監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)圍巖位移突然增大，施工方及時增加了錨桿和噴射混凝土的支護強度，成功避免了可能發(fā)生的坍塌事故。監(jiān)控量測也是指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化的重要依據(jù)。隧道設(shè)計通?；谝欢ǖ牡刭|(zhì)勘察資料和理論計算，但實際地質(zhì)條件往往存在一定的不確定性。通過監(jiān)控量測所獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以真實地反映隧道在實際施工過程中的力學(xué)行為和圍巖的穩(wěn)定性。將這些實測數(shù)據(jù)與設(shè)計預(yù)期進行對比分析，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的不足之處，進而對設(shè)計參數(shù)和施工方案進行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)圍巖壓力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的監(jiān)測結(jié)果，可以合理調(diào)整錨桿的長度、間距和噴射混凝土的厚度，使支護結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟合理且安全可靠。在另一個連拱隧道工程中，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，設(shè)計方調(diào)整了二次襯砌的施作時間，提高了隧道的整體穩(wěn)定性。監(jiān)控量測還能為后續(xù)的隧道工程積累寶貴的工程經(jīng)驗。每一條隧道的建設(shè)都是獨特的，所面臨的地質(zhì)條件、施工環(huán)境和技術(shù)難題都不盡相同。通過對大量連拱隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，可以總結(jié)出不同地質(zhì)條件下隧道施工的規(guī)律和特點，為類似工程的設(shè)計、施工和監(jiān)控量測提供有價值的參考。這些經(jīng)驗不僅有助于提高未來隧道工程的建設(shè)質(zhì)量和安全性，還能推動隧道工程技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。2.1.2內(nèi)容公路連拱隧道監(jiān)控量測內(nèi)容豐富多樣，涵蓋了多個方面，主要包括位移量測、應(yīng)力量測、荷載量測等，這些量測內(nèi)容從不同角度反映了隧道的狀態(tài)信息。位移量測是監(jiān)控量測的重要內(nèi)容之一，它主要包括拱頂下沉、周邊收斂和地表沉降等測量項目。拱頂下沉量測通過水準儀、鋼尺等工具，測量隧道拱頂?shù)拇怪蔽灰?，它能夠直觀地反映隧道頂部圍巖的穩(wěn)定性。如果拱頂下沉量過大或速率過快，可能意味著頂部圍巖出現(xiàn)了松動或坍塌的跡象。周邊收斂量測則使用收斂計等儀器，測量隧道周邊兩點之間的相對位移，以此來判斷隧道斷面的變形情況。周邊收斂過大可能導(dǎo)致隧道凈空減小，影響后續(xù)的施工和運營。地表沉降量測對于淺埋隧道尤為重要，通過水準儀等設(shè)備測量隧道上方地表的沉降情況，可以了解隧道施工對地表環(huán)境的影響，及時發(fā)現(xiàn)潛在的地面塌陷等問題。在某淺埋連拱隧道施工中，通過地表沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)地表出現(xiàn)了明顯的沉降，施工方及時采取了加固措施，避免了對周邊建筑物的影響。應(yīng)力量測主要針對圍巖應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行監(jiān)測。圍巖應(yīng)力監(jiān)測通過在圍巖中埋設(shè)壓力盒等傳感器，測量圍巖內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化情況，這有助于了解圍巖在隧道開挖過程中的應(yīng)力重分布規(guī)律，判斷圍巖的穩(wěn)定性。支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測則是在錨桿、噴射混凝土、鋼支撐等支護結(jié)構(gòu)中安裝應(yīng)變計、鋼筋計等設(shè)備，測量支護結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力，評估支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和承載能力。如果支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過其設(shè)計強度，可能導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)失效，危及隧道安全。在某連拱隧道中，通過監(jiān)測錨桿應(yīng)力發(fā)現(xiàn)部分錨桿應(yīng)力過大，施工方及時增加了錨桿數(shù)量，確保了支護效果。荷載量測主要關(guān)注圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力以及二次襯砌所承受的荷載。通過在圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間埋設(shè)壓力盒，可以測量兩者之間的接觸壓力，了解圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用力大小和分布情況。對于二次襯砌，通過在襯砌內(nèi)部安裝壓力盒等傳感器，測量其在施工和運營過程中所承受的荷載，判斷二次襯砌的受力是否合理，是否能夠滿足長期運營的要求。在某連拱隧道施工中，通過荷載量測發(fā)現(xiàn)二次襯砌局部荷載過大，施工方對襯砌結(jié)構(gòu)進行了加強處理，保證了隧道的長期穩(wěn)定性。2.2監(jiān)控量測方法與儀器2.2.1位移量測方法及儀器位移量測是公路連拱隧道監(jiān)控量測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能夠直觀反映隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形情況，為判斷隧道穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。在實際工程中，常用的位移量測方法包括水準測量、全站儀測量、收斂計測量等，每種方法都有其獨特的原理和適用場景。水準測量是一種經(jīng)典的位移量測方法，主要用于測量隧道拱頂下沉和地表沉降。其原理基于水平視線原理，通過水準儀提供水平視線，讀取水準尺上的讀數(shù)，從而測量兩點之間的高差。在測量拱頂下沉時，首先在隧道拱頂設(shè)置觀測點，在隧道內(nèi)穩(wěn)定位置設(shè)置水準基點。使用水準儀測量觀測點與水準基點之間的高差，通過多次測量對比高差變化，即可得到拱頂下沉量。在某連拱隧道施工中，通過水準測量發(fā)現(xiàn)拱頂下沉量在某一施工階段突然增大，及時采取了加強支護措施，避免了事故發(fā)生。水準測量具有測量精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，但測量速度相對較慢，受地形和通視條件限制較大。全站儀測量則是利用全站儀同時測量水平角、垂直角和距離的功能，通過極坐標法確定測點的三維坐標，進而計算出測點的位移量。在隧道位移監(jiān)測中，首先在隧道內(nèi)設(shè)置穩(wěn)定的控制點，將全站儀安置在控制點上，對各測點進行觀測，獲取測點的坐標數(shù)據(jù)。通過與初始坐標對比，即可計算出測點在各個方向上的位移。全站儀測量具有測量速度快、效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)自動化監(jiān)測等優(yōu)點，且不受地形起伏和通視條件的過多限制，適用于各種復(fù)雜的隧道施工環(huán)境。在一些長距離、大跨度的連拱隧道中，全站儀測量能夠快速準確地獲取大量測點的位移數(shù)據(jù)，為施工決策提供及時支持。全站儀測量的精度受儀器精度、測量環(huán)境等因素影響，在使用時需要進行嚴格的校準和誤差修正。收斂計測量主要用于測量隧道周邊收斂，即隧道周邊兩點之間的相對位移。收斂計通常由鋼尺、百分表或數(shù)顯裝置等組成。測量時，將收斂計的兩端分別固定在隧道周邊的兩個測點上，通過測量鋼尺的長度變化，由百分表或數(shù)顯裝置讀取相對位移值。收斂計測量具有操作簡單、攜帶方便、測量精度較高等優(yōu)點，能夠直觀反映隧道周邊的變形情況。在隧道施工過程中，可根據(jù)收斂計測量數(shù)據(jù)及時調(diào)整支護參數(shù)，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。收斂計測量的量程有限，對于變形較大的情況可能需要多次測量或更換測量設(shè)備。2.2.2應(yīng)力量測方法及儀器應(yīng)力量測是了解公路連拱隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的重要手段，對于評估隧道的穩(wěn)定性和安全性具有關(guān)鍵作用。在隧道施工和運營過程中，常用的應(yīng)力量測方法包括電阻應(yīng)變片測量、壓力盒測量等，相應(yīng)的儀器在不同的測量場景中發(fā)揮著重要作用。電阻應(yīng)變片測量是通過將電阻應(yīng)變片粘貼在被測物體表面，當物體受力發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片的電阻值會隨之發(fā)生變化。根據(jù)電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系，以及材料的彈性模量，可以計算出物體所受的應(yīng)力。在測量錨桿內(nèi)力時，將電阻應(yīng)變片粘貼在錨桿表面，當錨桿受力時，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片的電阻值改變，通過測量電阻變化并結(jié)合相關(guān)公式計算，即可得到錨桿的內(nèi)力。電阻應(yīng)變片具有靈敏度高、測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠準確測量微小應(yīng)變，適用于各種材料的應(yīng)力測量。電阻應(yīng)變片的測量范圍有限，且易受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，在使用時需要進行溫度補償和防潮處理。壓力盒測量則主要用于測量圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力以及圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力等。壓力盒通常采用鋼弦式、液壓式或電阻應(yīng)變式等原理。以鋼弦式壓力盒為例，其工作原理是當壓力作用于壓力盒時，盒內(nèi)的鋼弦受力發(fā)生振動，振動頻率與所受壓力成正比。通過測量鋼弦的振動頻率，即可計算出所受壓力大小。在測量圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力時，將壓力盒埋設(shè)在圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間，隨著隧道施工的進行，壓力盒感知接觸壓力的變化，并將其轉(zhuǎn)化為頻率信號輸出，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)計算，得到接觸壓力值。壓力盒測量能夠直接測量壓力大小，測量結(jié)果直觀可靠，適用于各種復(fù)雜的受力環(huán)境。壓力盒的埋設(shè)位置和方法對測量結(jié)果影響較大，需要嚴格按照操作規(guī)程進行安裝，確保壓力盒與被測物體緊密接觸，準確傳遞壓力。2.2.3其他量測方法及儀器隨著科技的不斷進步，公路連拱隧道監(jiān)控量測領(lǐng)域涌現(xiàn)出了一些新型的量測方法及儀器，如雷達測量、光纖監(jiān)測等。這些新技術(shù)和儀器具有獨特的優(yōu)勢，為隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測提供了更全面、更準確的手段。雷達測量技術(shù)主要利用電磁波在介質(zhì)中的傳播特性來探測隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的信息。在隧道監(jiān)測中，地質(zhì)雷達通過向隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到不同介質(zhì)的界面時會發(fā)生反射和折射，反射回來的電磁波被雷達接收。根據(jù)反射波的時間、幅度和相位等信息，可以分析出隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷、空洞、裂縫以及圍巖的分層情況等。在檢測隧道襯砌厚度時，通過地質(zhì)雷達測量電磁波在襯砌中的傳播時間，結(jié)合電磁波在襯砌材料中的傳播速度，即可計算出襯砌厚度。雷達測量具有檢測速度快、非接觸式測量、能夠快速獲取大面積結(jié)構(gòu)信息等優(yōu)點，可在不破壞隧道結(jié)構(gòu)的前提下，對隧道進行全面、快速的檢測。雷達測量結(jié)果的解釋需要專業(yè)知識和經(jīng)驗，對于復(fù)雜地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)，可能存在一定的誤判。光纖監(jiān)測技術(shù)是利用光纖的光傳輸特性和敏感特性來實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測。光纖傳感器可以感知溫度、應(yīng)變、壓力等物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)化為光信號的變化。通過對光信號的檢測和分析，即可獲取被測物理量的信息。分布式光纖應(yīng)變傳感器可以沿著隧道結(jié)構(gòu)敷設(shè)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)全長的應(yīng)變監(jiān)測，能夠?qū)崟r準確地獲取結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)變分布情況。光纖監(jiān)測具有高精度、高靈敏度、抗電磁干擾能力強、可實現(xiàn)分布式監(jiān)測等優(yōu)點，適用于對監(jiān)測精度要求高、環(huán)境復(fù)雜的隧道工程。光纖監(jiān)測系統(tǒng)的成本相對較高，安裝和維護技術(shù)要求也較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作和管理。2.3監(jiān)控量測方案設(shè)計2.3.1測點布置原則測點布置是公路連拱隧道監(jiān)控量測方案設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其合理性直接影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，進而影響對隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)的準確判斷。在進行測點布置時，需綜合考慮隧道圍巖條件、施工方法等多方面因素，遵循以下原則：代表性原則：測點應(yīng)布置在能夠準確反映隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征的關(guān)鍵部位。在隧道拱頂、拱腰、拱腳等部位布置位移和應(yīng)力測點，因為這些位置在隧道施工過程中受力復(fù)雜，變形和應(yīng)力變化較為明顯，能夠有效監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于連拱隧道的中墻，由于其承受著兩側(cè)隧道傳來的荷載，是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承載部件，所以應(yīng)在中墻的頂部、中部和底部等位置布置測點，以監(jiān)測中墻的受力和變形情況。在某連拱隧道工程中，通過在中墻頂部布置壓力盒，準確監(jiān)測到了中墻在施工過程中所承受的壓力變化，為施工決策提供了重要依據(jù)。全面性原則：為全面掌握隧道施工過程中的力學(xué)狀態(tài)變化，測點應(yīng)在隧道的不同部位、不同施工階段進行全面布置。在隧道的不同斷面，包括進口段、出口段、中間段以及圍巖條件變化較大的地段，都應(yīng)設(shè)置監(jiān)測斷面。每個監(jiān)測斷面內(nèi)，除了布置位移和應(yīng)力測點外，還應(yīng)根據(jù)需要布置其他監(jiān)測項目的測點，如圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力測點、錨桿軸力測點等，以全面獲取隧道施工過程中的各種信息。在一個穿越多種地質(zhì)條件的連拱隧道中，在不同地質(zhì)段的監(jiān)測斷面內(nèi)，分別布置了位移、應(yīng)力、接觸壓力等測點，全面監(jiān)測了隧道在不同地質(zhì)條件下的施工狀態(tài)，為針對性地采取施工措施提供了數(shù)據(jù)支持。經(jīng)濟性原則：在滿足監(jiān)測要求的前提下，測點布置應(yīng)盡量考慮經(jīng)濟性，避免不必要的測點設(shè)置，以降低監(jiān)測成本。對于圍巖條件相對穩(wěn)定、施工過程中力學(xué)行為變化較小的部位，可以適當減少測點數(shù)量；而對于關(guān)鍵部位和風險較高的地段，則應(yīng)加密測點布置。在一些圍巖條件較好的Ⅲ級圍巖地段，適當減少了位移和應(yīng)力測點的數(shù)量，同時保證了關(guān)鍵部位的測點密度，既滿足了監(jiān)測需求，又降低了監(jiān)測成本?？刹僮餍栽瓌t：測點布置應(yīng)便于測量儀器的安裝、測量和維護，同時要保證測點在施工過程中不易受到損壞。測點的位置應(yīng)易于到達，避免設(shè)置在難以操作的區(qū)域。在選擇測點位置時，要考慮施工過程中的干擾因素，如爆破、機械作業(yè)等，確保測點能夠正常工作。在隧道施工過程中，將測點設(shè)置在避開爆破影響范圍且便于測量人員操作的位置，同時對測點進行了有效的防護，保證了監(jiān)測工作的順利進行。2.3.2量測頻率確定量測頻率的合理確定對于及時掌握公路連拱隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化至關(guān)重要。量測頻率過高會增加監(jiān)測成本和工作量，過低則可能無法及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。因此，需要依據(jù)隧道施工階段、圍巖穩(wěn)定性等因素來科學(xué)確定量測頻率。在隧道施工初期，由于開挖對圍巖的擾動較大，圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)變化較為劇烈，所以應(yīng)加密量測頻率。在隧道開挖后的1-15天內(nèi)，對于拱頂下沉、周邊收斂等量測項目，通常每天應(yīng)進行1-2次測量。在某連拱隧道施工初期，通過每天兩次對拱頂下沉和周邊收斂的測量，及時發(fā)現(xiàn)了圍巖變形速率過快的問題，施工方立即采取了加強支護措施，避免了事故的發(fā)生。隨著施工的推進，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，量測頻率可以適當降低。在開挖后的16天-1個月內(nèi)，可每隔1-2天進行一次測量；1-3個月內(nèi)，每周測量1-2次；3個月后，每月測量1-3次。圍巖穩(wěn)定性是確定量測頻率的重要依據(jù)。對于穩(wěn)定性較差的圍巖，如Ⅴ級圍巖或破碎帶地段，應(yīng)提高量測頻率，密切關(guān)注圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變化情況。在Ⅴ級圍巖地段，可根據(jù)實際情況每天進行2-3次測量，以便及時發(fā)現(xiàn)圍巖失穩(wěn)的跡象。而對于穩(wěn)定性較好的圍巖，如Ⅲ級圍巖，量測頻率可以相對較低。在Ⅲ級圍巖地段，可按照正常的施工階段量測頻率進行測量，即初期每天1次，后期逐漸降低頻率。施工過程中的特殊情況也會影響量測頻率的確定。當隧道施工遇到突發(fā)事件，如涌水、坍塌等，應(yīng)立即增加量測頻率，對隧道結(jié)構(gòu)進行全面監(jiān)測，為事故處理提供數(shù)據(jù)支持。在某連拱隧道施工中發(fā)生涌水事故后，監(jiān)測人員立即加密了量測頻率，每小時對隧道的關(guān)鍵部位進行一次測量，及時掌握了隧道結(jié)構(gòu)在涌水影響下的變化情況，為制定有效的搶險方案提供了重要依據(jù)。在進行爆破作業(yè)前后，也應(yīng)適當增加量測頻率，以監(jiān)測爆破對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的影響。在爆破前對測點進行一次測量，獲取初始數(shù)據(jù)；爆破后立即進行測量，對比爆破前后的數(shù)據(jù)，分析爆破對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度，以便及時調(diào)整爆破參數(shù)和支護措施。2.3.3數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理與分析是公路連拱隧道監(jiān)控量測工作的核心環(huán)節(jié)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效處理和深入分析，能夠準確掌握隧道施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變化規(guī)律，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。在實際工程中，常采用回歸分析、數(shù)據(jù)可視化等手段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析?；貧w分析是一種常用的數(shù)據(jù)處理方法，它可以通過建立數(shù)學(xué)模型，找出監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系，從而對隧道的變形和受力趨勢進行預(yù)測。在對隧道拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)進行回歸分析時，常用的回歸模型有對數(shù)函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型、雙曲線函數(shù)模型等。通過對某連拱隧道的拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)進行雙曲線函數(shù)回歸分析，得到了拱頂下沉隨時間變化的回歸方程，根據(jù)該方程可以預(yù)測拱頂下沉的最終值，為判斷隧道的穩(wěn)定性提供了依據(jù)。回歸分析還可以用于分析不同監(jiān)測項目之間的相關(guān)性，如圍巖壓力與支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系，從而進一步了解隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用機制。數(shù)據(jù)可視化是將監(jiān)測數(shù)據(jù)以直觀的圖表、圖形等形式展示出來，使數(shù)據(jù)的變化趨勢和特征更加清晰明了。常用的數(shù)據(jù)可視化方法包括繪制時間-位移曲線、時間-應(yīng)力曲線、位移-應(yīng)力云圖等。通過繪制時間-位移曲線，可以直觀地看到隧道拱頂下沉、周邊收斂等位移量隨時間的變化情況，判斷變形是否趨于穩(wěn)定。在某連拱隧道的監(jiān)控量測中，繪制的拱頂下沉時間-位移曲線顯示，在施工初期拱頂下沉速率較大，隨著支護措施的加強，下沉速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，表明隧道的穩(wěn)定性逐漸提高。位移-應(yīng)力云圖則可以展示隧道在不同部位的位移和應(yīng)力分布情況，幫助工程師快速定位潛在的安全隱患區(qū)域。在某連拱隧道的位移-應(yīng)力云圖中，清晰地顯示出中墻與主洞連接處的應(yīng)力集中區(qū)域，施工方據(jù)此采取了加強支護措施，確保了隧道結(jié)構(gòu)的安全。除了回歸分析和數(shù)據(jù)可視化，還可以采用數(shù)據(jù)對比分析、異常值處理等方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過對比不同監(jiān)測斷面、不同施工階段的數(shù)據(jù)，找出隧道施工過程中的規(guī)律和異常情況。對監(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常值進行合理處理，如剔除明顯錯誤的數(shù)據(jù)、對缺失數(shù)據(jù)進行插值處理等，以保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在某連拱隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，通過對比不同監(jiān)測斷面的圍巖壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)某一斷面的圍巖壓力明顯高于其他斷面，經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該斷面存在支護結(jié)構(gòu)局部損壞的情況，及時進行了修復(fù)，避免了安全事故的發(fā)生。三、公路連拱隧道施工力學(xué)原理3.1施工力學(xué)基本理論3.1.1圍巖力學(xué)特性圍巖作為公路連拱隧道的重要承載結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性對隧道的穩(wěn)定性起著決定性作用。不同圍巖類別具有顯著差異的力學(xué)參數(shù)和變形破壞特征，深入了解這些特性對于隧道的設(shè)計、施工和維護至關(guān)重要。在公路隧道工程中，圍巖類別通常依據(jù)巖石的堅硬程度、巖體的完整程度以及地下水等因素進行劃分，常見的圍巖類別包括Ⅰ-Ⅵ級。Ⅰ級圍巖多為堅硬、完整的巖體，如微風化的花崗巖、石英巖等。這類巖體具有較高的抗壓強度和彈性模量，一般抗壓強度可達100MPa以上，彈性模量在30GPa-80GPa之間。其變形破壞特征表現(xiàn)為在高應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)脆性破裂，但在一般隧道施工應(yīng)力條件下，穩(wěn)定性較好，變形量較小。在某花崗巖體構(gòu)成的Ⅰ級圍巖隧道施工中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后圍巖的變形量極小，初期支護幾乎未承受明顯的壓力。Ⅱ級圍巖為堅硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)，較堅硬巖巖體完整，塊狀或整體結(jié)構(gòu)。其力學(xué)參數(shù)相對Ⅰ級圍巖略低，抗壓強度一般在60MPa-100MPa之間，彈性模量在20GPa-50GPa左右。在變形破壞方面，Ⅱ級圍巖在隧道開挖后，可能會出現(xiàn)局部的掉塊現(xiàn)象，尤其是在節(jié)理裂隙發(fā)育部位，但整體穩(wěn)定性較好。在某由較堅硬的大理巖構(gòu)成的Ⅱ級圍巖隧道中，施工時發(fā)現(xiàn)部分節(jié)理交匯處有小塊巖石掉落，但通過及時的噴射混凝土支護，有效控制了圍巖的進一步變形。Ⅲ級圍巖涵蓋堅硬巖，巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，結(jié)合一般，整體結(jié)構(gòu)或鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)或裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，巖體完整或較破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，結(jié)合好，塊狀結(jié)構(gòu)；較軟巖，巖體完整，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，結(jié)合好或一般整體狀或巨厚層狀?？箟簭姸确秶鸀?0MPa-60MPa，彈性模量在10GPa-30GPa之間。Ⅲ級圍巖的變形破壞特征較為復(fù)雜，開挖后可能出現(xiàn)較大范圍的松動區(qū)，圍巖變形量明顯增大，易發(fā)生坍塌事故。在某Ⅲ級圍巖的隧道施工中，由于圍巖破碎，施工過程中出現(xiàn)了局部坍塌，后通過加強支護和縮短開挖進尺等措施，保證了施工安全。Ⅳ級圍巖包含堅硬巖，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面極發(fā)育，結(jié)合面一般或差，碎裂狀結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育結(jié)合好或一般，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；較軟巖，巖體完整，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，結(jié)合好或一般塊狀結(jié)構(gòu)；軟巖，巖體完整，結(jié)構(gòu)不發(fā)育，結(jié)合好或一般，整體狀或巨厚狀結(jié)構(gòu)。其力學(xué)性能進一步降低，抗壓強度在15MPa-30MPa之間，彈性模量在5GPa-15GPa左右。Ⅳ級圍巖在隧道開挖后，圍巖變形迅速發(fā)展，坍塌的可能性較大，對支護結(jié)構(gòu)的承載能力要求較高。在某Ⅳ級圍巖的連拱隧道施工中，采用了三導(dǎo)洞先墻后拱法施工，并及時施作了錨桿、噴射混凝土和鋼支撐等支護結(jié)構(gòu)，才確保了隧道的穩(wěn)定。Ⅴ級圍巖包括堅硬巖及較堅硬巖，巖體破碎，結(jié)合面不好；較軟巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，碎裂狀結(jié)構(gòu)或散體狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合一般或差；極軟巖（Rb=0-5Mpa），結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，但結(jié)合面較好。這類圍巖的抗壓強度通常小于15MPa，彈性模量在1GPa-5GPa之間。Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性極差，開挖后極易發(fā)生坍塌，施工難度和風險極高。在某Ⅴ級圍巖的隧道施工中，采用了CD法（交叉中隔壁法）施工，并加強了超前支護和臨時支撐，才使得施工得以順利進行。Ⅵ級圍巖主要為土質(zhì)圍巖，其力學(xué)參數(shù)與土體的性質(zhì)密切相關(guān)，一般抗壓強度較低，變形模量較小。在隧道施工過程中，容易出現(xiàn)土體的擠出、坍塌等現(xiàn)象，需要采取特殊的支護和加固措施。在某穿越軟土地層的隧道施工中，采用了凍結(jié)法加固土體，并結(jié)合鋼支撐和噴射混凝土支護，有效控制了圍巖的變形和坍塌。3.1.2支護結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在公路連拱隧道施工中，支護結(jié)構(gòu)是保障隧道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵措施，其力學(xué)原理涉及錨桿、噴射混凝土、鋼支撐等多種支護形式，每種支護結(jié)構(gòu)都具有獨特的作用原理和力學(xué)性能，它們相互配合，共同承擔圍巖壓力，確保隧道施工和運營的安全。錨桿作為一種常用的支護構(gòu)件，主要通過錨固作用來加固圍巖。錨桿一端錨固在穩(wěn)定的巖體中，另一端與隧道周邊的巖體相連。當隧道開挖導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形時，錨桿能夠約束圍巖的變形，將圍巖與深部穩(wěn)定巖體連接成一個整體，提高圍巖的自承能力。錨桿的錨固力主要來源于錨桿與巖體之間的摩擦力以及錨桿自身的抗拔力。在某連拱隧道施工中，通過在圍巖中設(shè)置錨桿，有效地阻止了圍巖的松動和坍塌。根據(jù)相關(guān)力學(xué)原理，錨桿的抗拔力可通過公式T=\pidL\tau計算，其中T為抗拔力，d為錨桿直徑，L為錨固長度，\tau為錨桿與巖體間的粘結(jié)強度。通過合理設(shè)計錨桿的參數(shù)，如直徑、長度和間距等，可以充分發(fā)揮錨桿的支護作用。噴射混凝土是將混凝土通過噴射設(shè)備噴射到隧道圍巖表面，形成一層支護層。其作用原理主要包括封閉圍巖、提供支護反力和改善圍巖力學(xué)性能。噴射混凝土能夠迅速封閉圍巖表面，防止圍巖風化、潮解和剝落，同時阻止地下水的侵入，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。噴射混凝土形成的支護層能夠承受圍巖的壓力，為圍巖提供支護反力，限制圍巖的變形。噴射混凝土與圍巖緊密結(jié)合，能夠填充圍巖的裂隙和孔隙，提高圍巖的整體性和強度，改善圍巖的力學(xué)性能。在某連拱隧道施工中，噴射混凝土在施作后，及時有效地控制了圍巖的初期變形。噴射混凝土的抗壓強度和粘結(jié)強度是其重要的力學(xué)性能指標，一般噴射混凝土的抗壓強度可達C20-C30，與圍巖的粘結(jié)強度在0.8MPa-1.5MPa之間，這些性能參數(shù)保證了噴射混凝土能夠有效地發(fā)揮支護作用。鋼支撐通常采用工字鋼、H型鋼或格柵鋼架等材料，具有較高的強度和剛度。在隧道施工中，鋼支撐主要承受圍巖的壓力，尤其是在圍巖變形較大或出現(xiàn)局部坍塌的情況下，能夠迅速提供強大的支護力，防止圍巖進一步破壞。鋼支撐與噴射混凝土、錨桿等支護結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用，形成聯(lián)合支護體系，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高支護效果。在某連拱隧道的Ⅴ級圍巖地段，采用了鋼支撐與噴射混凝土、錨桿聯(lián)合支護的方式。鋼支撐的間距為0.5m，噴射混凝土厚度為25cm，錨桿長度為3m，通過這種聯(lián)合支護，有效地控制了圍巖的變形，保證了施工安全。鋼支撐的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在其抗彎、抗壓和抗剪能力上，在設(shè)計和施工中，需要根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、圍巖壓力等因素合理選擇鋼支撐的類型和參數(shù)，以確保其能夠滿足支護要求。3.1.3圍巖-支護相互作用原理公路連拱隧道施工過程中，圍巖與支護結(jié)構(gòu)并非孤立存在，而是相互作用、共同承載，這種相互作用關(guān)系對隧道的穩(wěn)定性和安全性起著決定性作用。深入理解圍巖-支護相互作用原理，對于優(yōu)化隧道設(shè)計、指導(dǎo)施工以及保障隧道長期運營安全具有重要意義。當隧道開挖后，圍巖由于失去原有的支撐而產(chǎn)生應(yīng)力重分布和變形。在這個過程中，圍巖會向隧道內(nèi)變形，釋放部分能量。支護結(jié)構(gòu)的施作則對圍巖的變形產(chǎn)生約束作用，阻止圍巖的過度變形和坍塌。支護結(jié)構(gòu)承受圍巖傳遞的壓力，自身也會發(fā)生變形。隨著支護結(jié)構(gòu)的變形，其對圍巖的約束能力逐漸增強，而圍巖的變形速率則逐漸減小。當支護結(jié)構(gòu)提供的抗力與圍巖變形產(chǎn)生的壓力達到平衡時，圍巖與支護結(jié)構(gòu)形成一個穩(wěn)定的力學(xué)體系，共同承擔外部荷載。在某連拱隧道施工中，初期由于支護結(jié)構(gòu)尚未完全發(fā)揮作用，圍巖變形較大；隨著噴射混凝土的強度增長和錨桿、鋼支撐等支護結(jié)構(gòu)的逐步完善，圍巖變形得到有效控制，最終與支護結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用受到多種因素的影響。圍巖的力學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵因素之一，不同圍巖類別具有不同的強度、變形特性和自穩(wěn)能力，這直接影響到圍巖變形的大小和發(fā)展趨勢，進而影響與支護結(jié)構(gòu)的相互作用。如在堅硬完整的圍巖中，圍巖自身的承載能力較強，對支護結(jié)構(gòu)的依賴相對較??；而在軟弱破碎的圍巖中，圍巖變形量大且發(fā)展迅速，需要支護結(jié)構(gòu)提供強大的支撐力。支護結(jié)構(gòu)的類型、剛度和施作時機也對相互作用關(guān)系產(chǎn)生重要影響。剛度較大的鋼支撐能夠迅速提供較大的支護抗力，但可能會對圍巖產(chǎn)生較大的約束反力；而噴射混凝土和錨桿組成的柔性支護結(jié)構(gòu)，能夠更好地適應(yīng)圍巖的變形，與圍巖共同變形協(xié)調(diào)受力。施作時機方面，及時施作支護結(jié)構(gòu)可以有效控制圍巖變形，減少圍巖松弛和能量釋放；若支護施作過晚，圍巖可能已經(jīng)發(fā)生較大變形甚至局部破壞，此時支護結(jié)構(gòu)需要承受更大的壓力，支護效果也會受到影響。在某連拱隧道的施工中，由于在Ⅴ級圍巖地段及時施作了剛度適中的鋼支撐和噴射混凝土聯(lián)合支護，有效地控制了圍巖變形，保證了隧道的穩(wěn)定；而在另一段施工中，由于支護施作延遲，圍巖變形過大，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)承受了過大的壓力，出現(xiàn)了局部損壞的情況。從力學(xué)機制角度來看，圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間存在著復(fù)雜的力的傳遞和變形協(xié)調(diào)關(guān)系。在隧道開挖初期，圍巖的變形主要受到自身力學(xué)性質(zhì)和初始應(yīng)力場的影響，此時圍巖向隧道內(nèi)的變形速率較快。隨著支護結(jié)構(gòu)的施作，支護結(jié)構(gòu)開始承受部分圍巖壓力，同時對圍巖的變形產(chǎn)生約束。支護結(jié)構(gòu)通過與圍巖的接觸，將自身的抗力傳遞給圍巖，改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，從而抑制圍巖的變形。圍巖的變形又會反過來作用于支護結(jié)構(gòu)，使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形。在這個過程中，圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力分布不斷調(diào)整，以實現(xiàn)力的平衡和變形的協(xié)調(diào)。在數(shù)值模擬分析中，可以通過建立合理的力學(xué)模型，如有限元模型，來模擬圍巖-支護相互作用過程，分析不同因素對相互作用關(guān)系的影響，為隧道設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。三、公路連拱隧道施工力學(xué)原理3.2施工過程力學(xué)分析方法3.2.1有限元法有限元法作為一種強大的數(shù)值分析方法，在公路連拱隧道施工力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用。其基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，通過對每個單元進行力學(xué)分析，再將各個單元的結(jié)果進行綜合，從而得到整個求解域的近似解。在連拱隧道施工力學(xué)分析中，常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS等。ANSYS軟件具有強大的前處理、求解和后處理功能，能夠方便地建立復(fù)雜的隧道模型。在模擬連拱隧道施工過程時，可通過定義不同的材料屬性，如實心單元用于模擬圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)，梁單元用于模擬錨桿，殼單元用于模擬鋼支撐等，來準確反映隧道各組成部分的力學(xué)特性。通過設(shè)置合理的邊界條件，如固定邊界、自由邊界等，模擬隧道實際的受力環(huán)境。在某連拱隧道施工力學(xué)分析中，利用ANSYS軟件建立了三維有限元模型，分析了隧道在不同施工階段圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變化情況。模擬結(jié)果顯示，在隧道開挖初期，圍巖應(yīng)力集中明顯，尤其是在拱頂和拱腳部位；隨著支護結(jié)構(gòu)的施作，圍巖應(yīng)力得到有效擴散，支護結(jié)構(gòu)承擔了部分圍巖壓力，保證了隧道的穩(wěn)定性。ABAQUS軟件則以其豐富的材料本構(gòu)模型和強大的非線性分析能力而著稱。在連拱隧道施工力學(xué)分析中，ABAQUS能夠準確模擬圍巖和支護結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)行為，如圍巖的塑性變形、支護結(jié)構(gòu)的屈服破壞等。在模擬隧道穿越軟弱圍巖地段時，ABAQUS可以選用合適的土體本構(gòu)模型，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等，來描述圍巖的力學(xué)特性。通過模擬不同的施工方法和支護措施，分析其對隧道穩(wěn)定性的影響。在某連拱隧道穿越軟弱圍巖的工程中，使用ABAQUS軟件對比了CD法（交叉中隔壁法）和CRD法（交叉中隔壁法加臨時仰拱）兩種施工方法下隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，CRD法能夠更好地控制圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力，更適合該工程的施工。為了驗證有限元模擬結(jié)果的可靠性，通常需要與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)或理論解進行對比分析。在某連拱隧道工程中，將有限元模擬得到的圍巖位移和應(yīng)力結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢和數(shù)值大小上基本一致，證明了有限元模擬結(jié)果的可靠性。通過與經(jīng)典的隧道力學(xué)理論解進行對比，也能夠驗證有限元模型的準確性。如在圓形隧道彈性力學(xué)分析中，將有限元模擬結(jié)果與解析解進行對比，誤差在合理范圍內(nèi)，進一步說明有限元法在連拱隧道施工力學(xué)分析中的有效性。3.2.2有限差分法有限差分法是另一種重要的數(shù)值分析方法，在公路連拱隧道施工力學(xué)分析中具有獨特的優(yōu)勢。其基本原理是將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域，通過Taylor級數(shù)展開等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。在隧道施工力學(xué)分析中，有限差分法能夠較好地處理巖土材料的非線性問題和復(fù)雜的邊界條件。與有限元法相比，有限差分法的計算效率相對較高，尤其是在處理大規(guī)模問題時，能夠節(jié)省計算時間和計算資源。在模擬長距離連拱隧道施工過程時，有限差分法可以較快地得到計算結(jié)果，為工程決策提供及時的支持。有限差分法的概念直觀，表達簡單，易于理解和掌握，對于一些工程技術(shù)人員來說，更容易上手和應(yīng)用。有限差分法在處理不規(guī)則邊界時相對有限元法較為困難，需要采用特殊的處理方法，如邊界擬合、坐標變換等，以提高計算精度。在模擬連拱隧道復(fù)雜的洞形和邊界條件時，有限差分法可能需要花費更多的時間和精力來處理邊界問題。有限差分法對網(wǎng)格的依賴性較強，網(wǎng)格的疏密程度直接影響計算結(jié)果的精度。如果網(wǎng)格劃分不合理，可能導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。在某連拱隧道施工力學(xué)分析中，采用有限差分法進行模擬，通過對比不同網(wǎng)格疏密程度下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格加密時，計算結(jié)果更加準確，但計算時間也相應(yīng)增加。因此，在使用有限差分法時，需要根據(jù)具體問題合理選擇網(wǎng)格尺寸，以平衡計算精度和計算效率。3.2.3其他分析方法除了有限元法和有限差分法，邊界元法、離散元法等在公路連拱隧道施工力學(xué)分析的特殊工況下也有應(yīng)用。邊界元法是一種基于邊界積分方程的數(shù)值方法，它將求解域的問題轉(zhuǎn)化為邊界上的問題進行求解。在處理無限域或半無限域問題時，邊界元法具有獨特的優(yōu)勢，因為它只需要對邊界進行離散，而不需要對整個求解域進行離散，從而大大減少了計算量。在分析連拱隧道周圍無限介質(zhì)的應(yīng)力場和位移場時，邊界元法能夠有效地處理無限遠處的邊界條件，得到較為準確的結(jié)果。在研究隧道施工對遠處地面建筑物的影響時，邊界元法可以模擬無限遠處土體的力學(xué)響應(yīng)，為評估建筑物的安全性提供依據(jù)。邊界元法在處理復(fù)雜幾何形狀和材料特性時存在一定的局限性，對邊界條件的處理要求較高，且求解過程相對復(fù)雜。離散元法主要用于分析非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為，它將巖體等材料視為由離散的塊體組成，通過考慮塊體之間的相互作用來模擬材料的力學(xué)響應(yīng)。在處理節(jié)理、裂隙發(fā)育的圍巖時，離散元法能夠準確地模擬圍巖的塊體運動和破壞過程，揭示圍巖的失穩(wěn)機制。在連拱隧道穿越節(jié)理巖體時，離散元法可以模擬節(jié)理面的張開、閉合和滑移等現(xiàn)象，分析節(jié)理對隧道穩(wěn)定性的影響。離散元法的計算量較大，計算時間較長，且模型參數(shù)的確定較為困難，需要通過大量的試驗和經(jīng)驗來確定。3.3施工力學(xué)影響因素分析3.3.1開挖方法對力學(xué)行為的影響公路連拱隧道的開挖方法眾多，常見的有CD法（交叉中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法加臨時仰拱）、三導(dǎo)洞法等。不同的開挖方法對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)有著顯著差異。CD法施工時，將隧道分為左右兩部分，先開挖一側(cè)導(dǎo)洞并施作中隔壁，再開挖另一側(cè)導(dǎo)洞。這種方法能有效控制圍巖變形，減小對圍巖的擾動。在某連拱隧道施工中，采用CD法開挖時，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隧道拱頂下沉量在初期較小，隨著施工的進行，拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定，最終拱頂下沉量控制在允許范圍內(nèi)。由于中隔壁的存在，分擔了部分圍巖壓力，使得支護結(jié)構(gòu)的受力較為均勻，支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，提高了隧道施工的安全性。CRD法是在CD法的基礎(chǔ)上，增設(shè)了臨時仰拱，進一步增強了對圍巖的支護能力。在軟弱圍巖條件下，CRD法的優(yōu)勢更為明顯。在某穿越軟弱圍巖的連拱隧道工程中，采用CRD法施工，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，增設(shè)臨時仰拱后，圍巖的水平位移和垂直位移都得到了有效控制，尤其是在隧道底部，臨時仰拱阻止了圍巖的隆起變形。從支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力來看，臨時仰拱分擔了部分底部圍巖壓力，使得鋼支撐和噴射混凝土的應(yīng)力分布更加合理，支護結(jié)構(gòu)的安全性得到提高。三導(dǎo)洞法是先開挖中導(dǎo)洞，再開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，最后開挖主洞。該方法適用于圍巖條件較差、隧道跨度較大的情況。在某大跨度連拱隧道施工中，采用三導(dǎo)洞法施工，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，三導(dǎo)洞法施工過程中，由于先開挖中導(dǎo)洞并及時施作中墻，為后續(xù)施工提供了穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，兩側(cè)導(dǎo)洞和主洞開挖時，圍巖的變形相對較小。中墻在施工過程中承受了較大的壓力，通過合理設(shè)計中墻的結(jié)構(gòu)和支護參數(shù)，能夠保證中墻的穩(wěn)定性，從而確保整個隧道的施工安全。然而，三導(dǎo)洞法施工工序復(fù)雜，施工進度相對較慢，成本較高。不同開挖方法對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)存在明顯差異。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、跨度、埋深等因素，綜合考慮選擇合適的開挖方法，以確保隧道施工的安全和經(jīng)濟。3.3.2支護時機與強度對力學(xué)行為的影響支護時機和強度是影響公路連拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。不同的支護時機和強度設(shè)置會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在施工和運營過程中呈現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)。在支護時機方面，早期支護能夠及時對圍巖變形進行約束，有效控制圍巖的松弛和變形發(fā)展。在某連拱隧道施工中，當圍巖開挖后，及時施作了錨桿和噴射混凝土等初期支護，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，圍巖的變形速率在初期支護施作后迅速降低，圍巖的穩(wěn)定性得到了有效保障。這是因為早期支護能夠在圍巖應(yīng)力重分布的初期階段，就對圍巖施加約束，阻止圍巖內(nèi)部裂隙的進一步擴展，增強圍巖的自承能力。如果支護時機過晚，圍巖可能已經(jīng)發(fā)生較大變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，此時再施作支護，支護結(jié)構(gòu)需要承受更大的荷載，且支護效果會大打折扣。在另一個連拱隧道施工案例中，由于初期支護施作延遲，圍巖變形過大，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)承受了過大的壓力，出現(xiàn)了局部破壞的情況，不得不進行二次支護加固，增加了工程成本和施工風險。支護強度對隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也有著重要影響。合理的支護強度能夠保證支護結(jié)構(gòu)在承受圍巖壓力時，自身不會發(fā)生破壞，從而確保隧道的穩(wěn)定性。在某連拱隧道的Ⅴ級圍巖地段，采用了較強的支護措施，增加了錨桿的長度和密度，提高了噴射混凝土的強度和厚度，并增設(shè)了鋼支撐。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在這種強支護條件下，圍巖的變形得到了嚴格控制，支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較為均勻，且均在材料的允許應(yīng)力范圍內(nèi)。然而，如果支護強度不足，支護結(jié)構(gòu)可能無法承受圍巖壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在某連拱隧道施工中，由于對某段圍巖的支護強度估計不足，支護結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)了明顯的變形和裂縫，嚴重影響了隧道的施工安全和質(zhì)量，不得不重新加強支護。支護時機和強度之間也存在著相互影響的關(guān)系。早期支護時，由于圍巖變形較小，所需的支護強度相對較低；而支護時機較晚時，為了控制已經(jīng)發(fā)生較大變形的圍巖，就需要更高強度的支護結(jié)構(gòu)。在實際工程中，需要根據(jù)隧道的具體情況，合理確定支護時機和強度，以達到最佳的支護效果，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。3.3.3地質(zhì)條件對力學(xué)行為的影響公路連拱隧道的施工力學(xué)行為受到地質(zhì)條件的顯著制約，其中圍巖類別和地下水狀況是兩個關(guān)鍵的影響因素。不同的圍巖類別具有各異的力學(xué)性質(zhì)，而地下水的存在則會進一步改變圍巖的物理力學(xué)特性，從而對隧道施工過程中的力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。圍巖類別是決定隧道施工力學(xué)行為的重要因素之一。如前文所述，從Ⅰ級到Ⅵ級圍巖，其力學(xué)性能逐漸變差。在Ⅰ級和Ⅱ級圍巖中，由于巖體較為堅硬完整，具有較高的強度和自穩(wěn)能力，隧道開挖后，圍巖的變形相對較小，支護結(jié)構(gòu)所承受的壓力也較低。在某連拱隧道穿越Ⅰ級圍巖地段時，施工過程中通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，圍巖的拱頂下沉和周邊收斂量都非常小，初期支護幾乎未承受明顯的壓力，僅起到了一定的保護圍巖表面的作用。在這種情況下，施工可以采用較為簡單的施工方法和支護措施，如全斷面開挖法，支護結(jié)構(gòu)也可以相對簡化，從而降低工程成本和施工難度。隨著圍巖類別的降低，力學(xué)行為發(fā)生明顯變化。在Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，自穩(wěn)能力較差。隧道開挖后，圍巖極易發(fā)生變形和坍塌，支護結(jié)構(gòu)需要承受較大的壓力。在某連拱隧道穿越Ⅴ級圍巖地段時，采用了CD法施工，并加強了初期支護。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉和周邊收斂量較大，且變形速率較快。初期支護中的錨桿、噴射混凝土和鋼支撐都承受了較大的應(yīng)力，尤其是鋼支撐，在控制圍巖變形中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在這種地質(zhì)條件下，施工過程中需要密切關(guān)注圍巖的變形情況，及時調(diào)整支護參數(shù)，確保施工安全。地下水的存在對隧道施工力學(xué)行為也有著重要影響。地下水會降低圍巖的強度和抗剪能力，增加圍巖的變形和坍塌風險。在某連拱隧道施工中，遇到了富水的Ⅳ級圍巖地段，由于地下水的浸泡，圍巖變得更加軟弱，自穩(wěn)時間大大縮短。施工過程中出現(xiàn)了涌水和圍巖坍塌的情況，導(dǎo)致施工中斷。通過采取超前注漿堵水、加強排水等措施后，才恢復(fù)施工。地下水還會對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，如侵蝕錨桿和鋼支撐，降低其強度，增加支護結(jié)構(gòu)的失效風險。在富水地質(zhì)條件下，需要加強隧道的防排水措施，同時提高支護結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力，確保隧道施工和運營的安全。地質(zhì)條件對公路連拱隧道的施工力學(xué)行為有著深遠影響。在隧道設(shè)計和施工過程中，必須充分考慮圍巖類別和地下水等地質(zhì)因素，采取相應(yīng)的施工方法和支護措施，以確保隧道施工的安全和質(zhì)量。四、公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)的關(guān)系4.1監(jiān)控量測對施工力學(xué)分析的驗證作用4.1.1數(shù)據(jù)對比驗證在公路連拱隧道的建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)對比驗證是監(jiān)控量測對施工力學(xué)分析發(fā)揮驗證作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過將監(jiān)控量測所獲取的實際數(shù)據(jù)與施工力學(xué)模擬數(shù)據(jù)進行細致對比，可以精準地判斷施工力學(xué)模擬結(jié)果的準確性。以某公路連拱隧道工程為例，在施工過程中，運用全站儀、水準儀、壓力盒等監(jiān)測儀器，對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等參數(shù)進行了實時監(jiān)測。同時，采用有限元軟件ABAQUS建立了該連拱隧道的施工力學(xué)模型，模擬了隧道在不同施工階段的開挖和支護過程，得到了相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)。在位移方面，將監(jiān)控量測得到的隧道拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果顯示，在隧道開挖初期，由于圍巖受到較大的擾動，拱頂下沉和周邊收斂速率較快。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，拱頂下沉在開挖后的前3天內(nèi)，累計下沉量達到了12mm，周邊收斂量累計達到了8mm。而模擬數(shù)據(jù)預(yù)測的拱頂下沉量為11mm，周邊收斂量為7.5mm，兩者在變化趨勢和數(shù)值上基本一致。隨著施工的推進，支護結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)揮作用，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，在開挖后的15天，拱頂下沉速率明顯減小，累計下沉量為25mm；模擬數(shù)據(jù)預(yù)測的累計下沉量為24mm，再次驗證了模擬結(jié)果在位移預(yù)測方面的準確性。在應(yīng)力方面，對圍巖壓力和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比。在隧道某一施工階段，通過壓力盒監(jiān)測到圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力在中墻附近達到了0.3MPa，在拱頂部位為0.2MPa。而施工力學(xué)模擬結(jié)果顯示，中墻附近的接觸壓力為0.28MPa，拱頂部位為0.19MPa，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的偏差在可接受范圍內(nèi)，驗證了模擬模型對應(yīng)力分布的預(yù)測能力。對于支護結(jié)構(gòu)中的錨桿應(yīng)力和鋼支撐應(yīng)力，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相似的變化趨勢和數(shù)值范圍，進一步證明了施工力學(xué)模擬結(jié)果的可靠性。通過多方面的數(shù)據(jù)對比驗證，充分表明監(jiān)控量測數(shù)據(jù)能夠有效地驗證施工力學(xué)模擬結(jié)果的準確性，為隧道施工力學(xué)分析提供了可靠的實際依據(jù)，有助于工程師更準確地了解隧道施工過程中的力學(xué)行為，為施工決策提供有力支持。4.1.2模型修正根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果對施工力學(xué)模型進行修正，是提高模型可靠性的重要手段，能夠使模型更加準確地反映公路連拱隧道施工過程中的實際力學(xué)行為。在某連拱隧道施工力學(xué)分析中，最初建立的有限元模型在模擬初期，與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)存在一定偏差。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)模型中圍巖的本構(gòu)模型和參數(shù)設(shè)置與實際情況存在差異。在實際施工中，圍巖表現(xiàn)出一定的非線性和蠕變特性，但原模型中采用的彈性本構(gòu)模型未能準確反映這些特性，導(dǎo)致模擬的圍巖位移和應(yīng)力與實測數(shù)據(jù)不符。針對這一問題，對施工力學(xué)模型進行了修正。將圍巖的本構(gòu)模型從彈性模型改為更符合實際情況的彈塑性模型，如Mohr-Coulomb模型，并根據(jù)現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗結(jié)果，重新確定了模型中圍巖的彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。同時，考慮到施工過程中支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，對模型中支護結(jié)構(gòu)的剛度和接觸條件進行了優(yōu)化調(diào)整。在模擬錨桿與圍巖的相互作用時，增加了錨桿與圍巖之間的粘結(jié)單元，更準確地模擬了錨桿對圍巖的錨固作用。經(jīng)過模型修正后，再次進行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果顯示，修正后的模型在預(yù)測圍巖位移和應(yīng)力方面，與實測數(shù)據(jù)的吻合度明顯提高。在隧道開挖后的特定階段，監(jiān)控量測得到的拱頂下沉量為30mm，修正后模型模擬的拱頂下沉量為29mm；圍巖壓力在關(guān)鍵部位的實測值與模擬值偏差也控制在了較小范圍內(nèi)，均在5%以內(nèi)。這表明通過依據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果對施工力學(xué)模型進行修正，有效地提高了模型的可靠性，使其能夠更準確地預(yù)測隧道施工過程中的力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)施工過程的力學(xué)分析和施工決策提供了更可靠的依據(jù)。4.2施工力學(xué)分析對監(jiān)控量測的指導(dǎo)作用4.2.1測點布置優(yōu)化施工力學(xué)分析在公路連拱隧道監(jiān)控量測的測點布置優(yōu)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過對隧道施工過程的力學(xué)模擬，能夠精準識別圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，從而為測點布置提供科學(xué)依據(jù)，顯著提高監(jiān)測的有效性。在某公路連拱隧道的施工力學(xué)分析中，運用有限元軟件ABAQUS建立了詳細的三維模型。模擬結(jié)果清晰顯示，在隧道開挖過程中，拱頂、拱腳和中墻部位的應(yīng)力和位移變化最為顯著。在拱頂處，由于受到上方圍巖的壓力，會產(chǎn)生較大的垂直位移和應(yīng)力集中；拱腳作為支撐拱頂?shù)年P(guān)鍵部位，承受著較大的壓力和剪力，容易出現(xiàn)變形和破壞；中墻則承擔著兩側(cè)隧道傳來的荷載，其受力狀態(tài)復(fù)雜，在中墻與主洞連接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。基于這些模擬結(jié)果，在實際的監(jiān)控量測中，對測點布置進行了優(yōu)化。在拱頂部位，加密了位移和應(yīng)力測點的布置，采用高精度的水準儀和壓力盒，以便更準確地監(jiān)測拱頂?shù)南鲁梁蛻?yīng)力變化。在拱腳處，增加了錨桿軸力和鋼支撐應(yīng)力測點，通過監(jiān)測錨桿和鋼支撐的受力情況，及時掌握拱腳的穩(wěn)定性。在中墻與主洞連接處，布置了多個應(yīng)變計和壓力盒，用于監(jiān)測該部位的應(yīng)力和應(yīng)變分布。通過施工力學(xué)分析指導(dǎo)測點布置優(yōu)化，在該連拱隧道的施工過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠更全面、準確地反映隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)。在一次施工中，由于拱頂測點布置合理，及時監(jiān)測到了拱頂下沉速率的突然增大，施工方根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，迅速采取了加強支護措施，避免了拱頂坍塌事故的發(fā)生。施工力學(xué)分析還能夠根據(jù)不同的施工階段和地質(zhì)條件，動態(tài)調(diào)整測點布置，確保監(jiān)測工作始終能夠捕捉到隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)信息，為隧道施工的安全和質(zhì)量提供了有力保障。4.2.2量測頻率調(diào)整施工力學(xué)分析在公路連拱隧道監(jiān)控量測中，對量測頻率的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。通過對隧道施工過程中力學(xué)行為的深入分析，可以準確把握圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)變化的關(guān)鍵階段，從而合理安排監(jiān)測工作，優(yōu)化量測頻率，提高監(jiān)測效率和準確性。在某連拱隧道施工過程中，利用有限元軟件ANSYS對不同施工階段進行力學(xué)模擬分析。模擬結(jié)果表明，在隧道開挖初期，由于圍巖受到較大擾動，應(yīng)力重分布迅速，圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化較為劇烈。在這個階段，施工力學(xué)分析顯示，圍巖的位移和應(yīng)力在短時間內(nèi)會發(fā)生較大變化，且變化趨勢不穩(wěn)定。因此，根據(jù)模擬結(jié)果，在開挖初期的1-7天內(nèi)，將拱頂下沉、周邊收斂等量測項目的量測頻率提高到每天2-3次，以便及時捕捉到圍巖和支護結(jié)構(gòu)的快速變化情況，為施工決策提供及時的數(shù)據(jù)支持。隨著施工的推進，支護結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)揮作用，圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。在施工中期，模擬結(jié)果顯示，圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化速率明顯減小，變化趨勢逐漸平穩(wěn)。此時，根據(jù)施工力學(xué)分析結(jié)果，將量測頻率調(diào)整為每天1次，既能夠滿足對隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測需求，又避免了不必要的監(jiān)測工作量和成本。在隧道施工的后期，如二次襯砌施作完成后，施工力學(xué)分析表明，隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)已基本穩(wěn)定，變形和應(yīng)力變化微小。在這個階段，將量測頻率進一步降低為每3-5天1次，重點關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和潛在的緩慢變化。通過依據(jù)施工力學(xué)分析結(jié)果調(diào)整量測頻率，在該連拱隧道的施工過程中，實現(xiàn)了監(jiān)測資源的合理利用。既保證了在關(guān)鍵施工階段能夠及時獲取準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為施工安全提供保障，又避免了在力學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定階段進行過度監(jiān)測，節(jié)約了人力、物力和時間成本，提高了監(jiān)控量測工作的效率和科學(xué)性。4.3基于兩者結(jié)合的施工決策優(yōu)化4.3.1施工方案調(diào)整在公路連拱隧道的施工過程中，監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析為施工方案的調(diào)整提供了關(guān)鍵依據(jù)，確保施工安全和質(zhì)量。當監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示圍巖變形異常時，如拱頂下沉速率超過預(yù)警值，或周邊收斂量過大，結(jié)合施工力學(xué)分析，能夠準確判斷問題的根源。若施工力學(xué)分析表明是由于開挖方法導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中過大，此時可考慮調(diào)整施工方案。在某連拱隧道施工中，原采用CD法施工，監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)拱頂下沉速率過快，經(jīng)施工力學(xué)分析，決定改為CRD法施工。CRD法增設(shè)了臨時仰拱，加強了對圍巖的支護，有效控制了拱頂下沉，保證了施工安全。施工過程中若出現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)受力異常的情況，同樣需要依據(jù)監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析結(jié)果進行施工方案調(diào)整。當監(jiān)測到錨桿應(yīng)力超過設(shè)計值，或鋼支撐出現(xiàn)明顯變形時，通過施工力學(xué)分析確定是支護強度不足還是支護時機不當。若為支護強度不足，可增加錨桿數(shù)量、提高噴射混凝土強度或更換更強大的鋼支撐；若為支護時機不當，則應(yīng)調(diào)整支護施作時間，確保支護結(jié)構(gòu)能夠及時發(fā)揮作用。在某連拱隧道施工中，由于支護時機延遲，導(dǎo)致圍巖變形過大，支護結(jié)構(gòu)承受了過大的壓力。通過調(diào)整支護施作時間，在圍巖開挖后及時進行支護，有效控制了圍巖變形，保證了支護結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析結(jié)果調(diào)整施工方案，能夠及時應(yīng)對隧道施工過程中出現(xiàn)的各種問題，有效保障施工安全和質(zhì)量，確保隧道工程的順利進行。4.3.2支護參數(shù)優(yōu)化依據(jù)監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析結(jié)果對支護參數(shù)進行優(yōu)化，是提高公路連拱隧道支護效果和經(jīng)濟性的重要手段。在隧道施工過程中，通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析，如圍巖壓力、支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形等數(shù)據(jù)，結(jié)合施工力學(xué)分析，可以深入了解支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和承載能力，從而為支護參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。在某連拱隧道施工中，通過壓力盒監(jiān)測到圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力在某些部位較大，超過了原設(shè)計的支護參數(shù)所能承受的范圍。施工力學(xué)分析表明，這些部位的圍巖穩(wěn)定性較差，需要加強支護。根據(jù)分析結(jié)果，對支護參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整。增加了錨桿的長度和密度，將錨桿長度從原設(shè)計的3m增加到3.5m，間距從1.2m減小到1m，以提高錨桿對圍巖的錨固力；同時，提高了噴射混凝土的強度等級，從C20提高到C25，并增加了噴射混凝土的厚度，從20cm增加到25cm，增強了噴射混凝土對圍巖的支護能力。通過這些支護參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，有效地控制了圍巖的變形，降低了圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力，使支護結(jié)構(gòu)的受力更加合理，提高了支護效果。在優(yōu)化支護參數(shù)時，還需要考慮經(jīng)濟性因素。在滿足隧道施工安全和質(zhì)量要求的前提下，盡量降低支護成本。在某連拱隧道施工中，通過監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性較好，原設(shè)計的支護參數(shù)存在一定的冗余。因此，對這些區(qū)域的支護參數(shù)進行了優(yōu)化，適當減少了錨桿數(shù)量和噴射混凝土厚度，在保證支護效果的同時，降低了工程成本。依據(jù)監(jiān)控量測和施工力學(xué)分析結(jié)果優(yōu)化支護參數(shù)，能夠在確保隧道施工安全和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高支護效果，降低工程成本，實現(xiàn)隧道工程的經(jīng)濟效益最大化。五、工程案例分析5.1工程概況為深入探究公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)，本文選取某山區(qū)高速公路的連拱隧道作為研究對象。該隧道位于地形復(fù)雜的山區(qū)，是該高速公路的關(guān)鍵控制性工程，其建設(shè)對于完善區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)、促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。隧道全長1200米，采用雙連拱結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計為雙向四車道，單洞凈寬10.5米，凈高5米。隧道所處區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜多變，穿越多種地層，包括砂巖、頁巖、泥巖以及斷層破碎帶等。其中，砂巖段巖體較為完整，強度較高；頁巖和泥巖段巖體相對破碎，遇水易軟化，穩(wěn)定性較差；斷層破碎帶巖體極為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，給隧道施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。在施工方案方面，根據(jù)隧道不同地段的地質(zhì)條件，采用了多種開挖方法。對于圍巖條件較好的砂巖段，采用CD法施工，將隧道分為左右兩部分，先開挖一側(cè)導(dǎo)洞并施作中隔壁，再開挖另一側(cè)導(dǎo)洞。這種方法能夠有效控制圍巖變形，減小對圍巖的擾動。在頁巖和泥巖段，由于巖體穩(wěn)定性較差，采用CRD法施工，在CD法的基礎(chǔ)上增設(shè)臨時仰拱，進一步增強對圍巖的支護能力，確保施工安全。在斷層破碎帶地段，采用三導(dǎo)洞法施工，先開挖中導(dǎo)洞，再開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，最后開挖主洞。該方法能夠在圍巖條件極差的情況下，逐步推進施工，減少對圍巖的擾動，保證隧道施工的順利進行。在支護方案上，初期支護采用錨桿、噴射混凝土和鋼支撐聯(lián)合支護體系。錨桿采用直徑22毫米的螺紋鋼，長度根據(jù)圍巖情況在2.5-3.5米之間，間距為1.0-1.2米，通過錨固作用將圍巖與深部穩(wěn)定巖體連接成一個整體，提高圍巖的自承能力。噴射混凝土采用C25混凝土，厚度為20-25厘米，能夠迅速封閉圍巖表面，防止圍巖風化、潮解和剝落，同時提供支護反力，限制圍巖的變形。鋼支撐采用I18工字鋼，間距為0.6-0.8米，在圍巖變形較大或出現(xiàn)局部坍塌的情況下，能夠迅速提供強大的支護力，防止圍巖進一步破壞。二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度為40-50厘米，在初期支護穩(wěn)定后施作，主要承受隧道的長期荷載，保證隧道的長期穩(wěn)定性。該隧道工程的復(fù)雜性和典型性，為研究公路連拱隧道監(jiān)控量測與施工力學(xué)提供了豐富的實踐數(shù)據(jù)和研究素材，有助于深入分析隧道在不同地質(zhì)條件和施工方法下的力學(xué)行為和監(jiān)控量測的關(guān)鍵作用。5.2監(jiān)控量測實施5.2.1監(jiān)控量測方案在該公路連拱隧道的監(jiān)控量測方案中，嚴格遵循相關(guān)規(guī)范和標準，確保監(jiān)測工作的科學(xué)性、全面性和準確性。對于必測項目，在圍巖地質(zhì)和支護情況觀察方面，安排專業(yè)技術(shù)人員在每次爆破后及初期支護施作前后，對隧道開挖工作面和已施工地段進行詳細觀察。觀察內(nèi)容包括圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、涌水情況以及支護結(jié)構(gòu)的噴射混凝土厚度、錨桿安裝質(zhì)量、鋼支撐的架設(shè)間距和連接牢固程度等。在某施工階段，通過細致觀察發(fā)現(xiàn)隧道某部位圍巖節(jié)理裂隙突然增多，且有少量涌水現(xiàn)象，及時采取了加強支護和排水措施，避免了安全事故的發(fā)生。拱頂下沉觀測采用水準儀和鋼尺配合的方法。在隧道拱頂每隔5-10米設(shè)置一個觀測點，使用水準儀測量觀測點與穩(wěn)定水準基點之間的高差變化，從而得到拱頂下沉量。在施工初期，每天測量1-2次；隨著圍巖穩(wěn)定性的提高，逐漸降低測量頻率。周邊收斂觀測則使用收斂計進行。在隧道周邊每隔5-10米布置一對收斂觀測點，測量兩點之間的相對位移。在施工過程中，密切關(guān)注周邊收斂數(shù)據(jù)的變化，當發(fā)現(xiàn)收斂速率異常時，及時分析原因并采取相應(yīng)措施。選測項目方面，圍巖與支護接觸壓力通過在圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間埋設(shè)壓力盒進行監(jiān)測。在隧道不同部位，如拱頂、拱腰、拱腳等，每隔10-15米布置一個壓力盒，以監(jiān)測接觸壓力的分布和變化情況。圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測采用多點位移計，在隧道周邊不同深度的圍巖中埋設(shè)測點，通過測量各測點的位移，了解圍巖內(nèi)部的變形情況。在某圍巖破碎地段，通過多點位移計監(jiān)測發(fā)現(xiàn)圍巖內(nèi)部一定深度處的位移較大，及時調(diào)整了支護參數(shù)，保證了隧道的穩(wěn)定。噴射混凝土應(yīng)力、錨桿應(yīng)力和支護鋼架應(yīng)力分別通過在噴射混凝土、錨桿和支護鋼架上安裝應(yīng)變計或鋼筋計進行測量。在不同類型的圍巖地段和施工部位，合理布置測點，以準確掌握支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在測點布置上，充分考慮隧道的結(jié)構(gòu)特點、施工方法和地質(zhì)條件。在隧道的進出口段、圍巖變化較大的地段以及施工關(guān)鍵部位，如中墻與主洞連接處、拱頂、拱腳等，加密測點布置。在某圍巖條件較差的地段，將拱頂下沉和周邊收斂測點間距縮小至5米，同時增加了錨桿應(yīng)力和圍巖與支護接觸壓力測點數(shù)量，以便更準確地監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。量測頻率根據(jù)隧道施工階段和圍巖穩(wěn)定性進行動態(tài)調(diào)整。在隧道開挖初期，由于圍巖擾動較大，每天對拱頂下沉、周邊收斂等量測項目進行1-2次測量；隨著施工的推進，圍巖逐漸穩(wěn)定，量測頻率可調(diào)整為每隔1-2天測量一次；在二次襯砌施作完成后，量測頻率可進一步降低為每周測量1-2次。在圍巖穩(wěn)定性較差的地段，如斷層破碎帶，根據(jù)實際情況增加量測頻率，每天進行2-3次測量，確保及時掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變化情況。5.2.2數(shù)據(jù)采集與分析在該公路連拱隧道的施工過程中，數(shù)據(jù)采集工作嚴格按照監(jiān)控量測方案執(zhí)行，確保采集的數(shù)據(jù)真實、準確、完整。每次測量前，對測量儀器進行校準和檢查，確保儀器的正常工作。測量人員認真記錄測量數(shù)據(jù)，包括測量時間、測量值、測量部位以及施工進度等相關(guān)信息。對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時、深入的分析，通過繪制時態(tài)曲線和空間關(guān)系曲線，直觀地展示隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力變化規(guī)律。以拱頂下沉時態(tài)曲線為例，從曲線中可以清晰地看到，在隧道開挖初期，拱頂下沉速率較快，隨著初期支護的施作，下沉速率逐漸減小。在某施工階段，拱頂下沉時態(tài)曲線顯示，在開挖后的前5天內(nèi)，拱頂下沉速率為每天5-8毫米；在噴射混凝土和錨桿等初期支護施作后的第7天，下沉速率降至每天2-3毫米，表明初期支護有效地控制了拱頂下沉。周邊收斂時態(tài)曲線也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢。在施工初期，周邊收斂速率較大，隨著支護結(jié)構(gòu)的逐步完善，收斂速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。通過對周邊收斂時態(tài)曲線的分析，可以判斷隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性，為施工決策提供重要依據(jù)。在空間關(guān)系曲線方面，繪制了圍巖壓力與距離隧道掌子面距離的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，隨著距離掌子面距離的增加，圍巖壓力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在某施工斷面，距離掌子面5米處的圍巖壓力為0.25MPa，而在距離掌子面20米處，圍巖壓力降至0.1MPa，這表明隨著施工的推進，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)承擔了部分圍巖壓力。還對不同監(jiān)測項目之間的關(guān)系進行了分析。通過對比拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢上具有一定的相關(guān)性，當拱頂下沉速率較大時，周邊收斂速率也往往較大，這進一步驗證了隧道圍巖變形的整體性和相互關(guān)聯(lián)性。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)隧道施工過程中存在的問題，為施工方案的調(diào)整和支護參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。5.3施工力學(xué)分析5.3.1數(shù)值模型建立為深入分析該公路連拱隧道在施工過程中的力學(xué)行為，采用有限元軟件ABAQUS建立了三維數(shù)值模型。模型的建立過程充分考慮了隧道的幾何形狀、地質(zhì)條件、施工過程以及圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用。在幾何模型方面，精確模擬了隧道的雙連拱結(jié)構(gòu)，包括左右主洞、中墻以及支護結(jié)構(gòu)的尺寸和位置。隧道單洞凈寬10.5米，凈高5米，中墻厚度根據(jù)設(shè)計要求進行準確建模。模型在縱向取100米，以確保能夠充分