袁厚海 龙焕林 王志杰

随着隧道工程的施工环境条件日益复杂，隧道工程信息化施工得到广泛应用，在其实践过程中，由于开挖改变了原土体的应力场，必然会导致周围地层的移动，引起支护结构的变形破坏、周围地表沉降、基坑失稳等。然而由于岩土体性质的复杂多变性及各种计算模型的局限性，很多隧道工程的理论和设计计算结果与实测数据往往有较大差异，因此隧道监测显得尤为必要，然而隧道支护结构弯矩作为评价基坑安全稳定的重要指标，目前还没有仪器能直接测出支护结构弯矩值。本文先根据数值分析方法，即有限元法模拟隧道开挖时支护结构的弯矩，并利用设计规程所广为采用的解析方法得出支护结构的弯矩，然后采用基于隧道支护结构测斜数据推导隧道支护结构弯矩[1］，最后将弯矩实测值、设计值和理论值进行分析对比，得到一个相对合理的支护结构弯矩推导方法。

1 工程概况

该隧道位于海口市华侨中学内，隧道开挖长度为357m，宽为26m，高为8m，明洞段K0+213～K0+220采用明挖顺作法，围护结构采用钢板桩;暗埋段K0+220～K0+500采用盖挖顺作法，围护结构为基坑开挖时的挡土结构，使用阶段与主体结构共同受力;敞开段K0+500～K0+570段采用明挖顺作法，使用阶段不参与主体结构受力。由于所处地区地下防空洞情况复杂，加之海口市尚未有建过隧道的经验，隧道监测显得尤为必要，除了对支护结构深层水平位移进行监测外，还在支护结构中埋设了钢筋应力计，使之能更加准确预测支护结构变形和内力的实时情况，为工程安全提供重要保证。

2 支护结构弯矩数值分析

采用平面应变有限元模拟隧道暗埋段开挖，考虑模型对称性后取1/2模型进行计算(见图1)，平面尺寸为50m×20m，隧道宽17m，外侧10m内施加q=10 kN/m的均布荷载，隧道坑最大开挖深度为8m，分两次开挖，第一次开挖4m，第二次开挖4m到隧道坑底部，土体采用15节点的三角形单元模拟，竖向边界约束水平位移，下边界约束水平和竖直方向的位移。考虑折减后混凝土的弹性模量 E=24 GPa，μ =0.15，ρ=2 500 kg/m3。围护结构抗压刚度 EA=1.44×107kN/m，抗弯刚度 EⅠ=4.32 ×105(kN·m5)/m。土体本构模型采用Plaxis HS模型[2］，土层和界面参数见表1。

通过有限元计算可以得到沿支护结构深度方向各点的弯矩值(kN·m)，具体见表2。

3 支护结构弯矩设计值计算

采用等值梁法，桩入土坑底内，一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被动土压力。在计算过程中主要是桩的入土深度、挡墙弯矩[3］。

表1 土层和界面参数

表2 支护结构弯矩模拟值

为了简化计算，将各层土体加权平均，可得c=29.9 kPa，φ=21.5°，γ =19.5 kN/m3。

可取 δ=2φ/3=18.2°，ε =0，β =0，h1=2m，h2=10m，代入可得:

隧道支护简图如图2所示，将支护桩画成一条简支梁，其荷载为土压力，如图3所示。简支梁长l=h2-h1+u，则可得各点的弯矩，支护结构各点的弯矩计算结果见表3。

图2 隧道支护结构简图

图3 支护结构作为简支梁计算简图

表3 支护结构弯矩解析值

4 基于支护结构测斜数据的弯矩推导

围护墙弯矩可由埋设钢筋应力计间接测得，目前还没有仪器能直接测出来，通常根据曲率和抗弯刚度EⅠ间接得出:

采用分段三次曲线拟合，分段三次曲线能很好的拟合拐点。通过四点就可以确定一个三次多项式w(z)=az3+bz2+cz+d，如果超过四点，则拟合曲线并不通过全部的数据点。本文采用基于五点的分段三次曲线拟合，其中i点曲率即为拟合曲线二阶导数:

通过埋设测斜管，可以得到支护结构的深层水平位移，如表4所示，然后采用连续分段三次曲线拟合得到曲率，进而可以得到支护结构弯矩实测值，如表5所示。

表4 支护结构测斜数据

表5 支护结构弯矩实测推导值

5 支护结构弯矩实测值、设计值和理论值分析对比

通过三种方法推导了隧道开挖时围护结构的弯矩，即采用平面有限元可以得到围护结构的弯矩模拟值，然而通过解析方法同样得到其弯矩解析值，最后利用围护桩测斜数据推导了围护结构弯矩值。

如图4所示，最大弯矩值位于围护桩中间部5.5m处，靠近隧道底部。解析法得到的弯矩值比模拟和实测值大，实测值是波动曲线，但曲线趋势与模拟得到的曲线一致，证明提出的支护结构弯矩计算方法的有效性和实用性。

图4 弯矩值对比分析图

6 结语

在已有研究成果和对实测资料分析处理的基础上，本文就围护结构弯矩值预测方法进行了进一步的研究，根据隧道施工实践，给出了利用测斜数据计算围护结构弯矩的推导方法。通过文中工程实例实测值与解析值和模拟值的对比研究，证明提出的支护结构弯矩预测方法的有效性和实用性，对实际工程中弯矩预测有重要意义。

工程中由于场地条件、施工工序及方法等各种因素，往往导致围护结构弯矩实测值与设计值存在一定偏差，有关更加实用的预测围护结构弯矩值方法还有待进一步研究。

[1]Ooi，Ramsey.Curvature and Bending moments from Inclinometer Data[J］.ASCE，2003，3(1):64-74.

[2]徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J］.岩土力学，2010，31(1):258-264.

[3]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M］.北京:中国建筑工业出版社，1997:6-37.

[4]高俊合，赵维炳，施建勇.基坑测斜技术研究[J］.河海大学学报，1998，26(3):120-123.