單洞四車道公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究

曾宏飛，王玉鎖，李俊杰，楊超，馮高飛

(1．西南交通大學(xué)，四川成都610031;2．中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，四川成都610031)

單洞四車道公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究

曾宏飛1，2，王玉鎖1，李俊杰1，楊超1，馮高飛1

(1．西南交通大學(xué)，四川成都610031;2．中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，四川成都610031)

近年來，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)中出現(xiàn)了越來越多的超大斷面單洞四車道隧道，與傳統(tǒng)的單洞兩車道隧道相比，其受力條件復(fù)雜，施工難度加大，施工監(jiān)測(cè)愈發(fā)重要。本文通過對(duì)福建省牛寨山隧道施工過程中地表沉降、拱頂下沉、洞周收斂、圍巖壓力、襯砌內(nèi)力等的監(jiān)測(cè)與分析，探討此類隧道施工特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，超大斷面隧道開挖變形大，洞口軟弱圍巖段受力復(fù)雜。此外，論述了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)超大斷面公路隧道的必要性及仰拱施作對(duì)抑制隧道變形的顯著作用。

隧道工程 超大斷面 四車道 監(jiān)控量測(cè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，高等級(jí)公路的迅速建設(shè)和交通運(yùn)輸要求的逐步提高，傳統(tǒng)的單洞兩車道的公路隧道已經(jīng)漸漸變得不能滿足需要，近年來出現(xiàn)了越來越多的單洞三車道、單洞四車道的公路隧道，如福建的金雞山隧道、魁岐2號(hào)隧道，廣州的龍頭山隧道，大連的韓家?guī)X隧道均為單洞四車道公路隧道，其最大開挖斷面均超過了200 m2，按日本隧協(xié)斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)均屬于超大斷面隧道。

單洞四車道隧道受力條件比較復(fù)雜，襯砌結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力較大，再加上施工期間多工序的轉(zhuǎn)換、開挖隧道對(duì)圍巖的多次擾動(dòng)等很多因素使得極易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和隧道結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外都加強(qiáng)了對(duì)四車道大斷面公路隧道的施工管理，重點(diǎn)加強(qiáng)了監(jiān)控量測(cè)、反饋分析等信息化施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的落實(shí)，以保證四車道公路隧道的結(jié)構(gòu)安全和圍巖穩(wěn)定［1-3］。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)于超大斷面隧道新奧法施工具有重要意義，它能預(yù)防施工中的險(xiǎn)情和事故，以便及時(shí)采取補(bǔ)救措施把隧道施工中可預(yù)見的危險(xiǎn)降到最低［4-7］。

本文結(jié)合牛寨山南線隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)單洞四車道隧道施工過程中圍巖和支護(hù)體系的變形及受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期對(duì)相關(guān)支護(hù)體系的優(yōu)化提供依據(jù)，并為以后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

牛寨山隧道南線位于福州市平潭縣城區(qū)西側(cè)，進(jìn)口位于東壁村，出口位于紅山村。南線隧道起訖樁號(hào)為SK4+336—SK5+165，總長(zhǎng)829 m。隧道單洞建筑限界18 m×5 m，南線隧道在V級(jí)圍巖中開挖跨度達(dá)21 m，最大開挖面積為260 m2，扁平率約0.691，屬于軟弱圍巖中大跨度扁平隧道。

該隧道場(chǎng)址屬于殘坡積臺(tái)地及低山丘陵，覆蓋層由第四系坡殘積土組成，基巖主要為燕山晚期侵入的中細(xì)粒花崗巖，巖體風(fēng)化差異很大，不均勻現(xiàn)象顯著。隧道南線進(jìn)出口段斜坡坡度為10°～35°，地形起伏較大，洞口淺埋段埋深5～20 m，洞身段最大埋深約121 m。隧道進(jìn)、出口有約100 m的Ⅴ級(jí)圍巖，隧道中部有約445 m的Ⅲ級(jí)圍巖，其余均為Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖主要為花崗巖。

隧道Ⅴ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)以錨桿濕噴混凝土、鋼支撐掛鋼筋網(wǎng)為主，輔以超前大管棚、超前小導(dǎo)管等。隧道Ⅳ級(jí)圍巖采用中隔壁法施工，開挖前設(shè)置超前錨桿，隧道III級(jí)圍巖段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工［8］。

2 監(jiān)測(cè)情況

單洞四車道公路隧道屬于超大斷面隧道，開挖工序和方法直接影響隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性，尤其是隧道進(jìn)出口淺埋段受力較為復(fù)雜，隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)是確保安全施工的必要手段。

根據(jù)公路隧道施工規(guī)范的要求，針對(duì)該超大斷面隧道的一些特點(diǎn)和施工方法以及地勘情況，確定主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為地表沉降、拱頂下沉、洞周收斂、圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力、二襯內(nèi)力等。代表性監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 代表性監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1)地表沉降

在隧道南線出口段地表SK5+070，SK5+060斷面處布置了2條地表沉降測(cè)線，每條埋設(shè)7個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。現(xiàn)以SK5+060監(jiān)測(cè)斷面為例做簡(jiǎn)要分析，該斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降曲線及地表沉降時(shí)程曲線分別見圖2、圖3。

圖2 SK5+060監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線

圖3 SK5+060監(jiān)測(cè)斷面地表沉降時(shí)程曲線(2013年)

從圖2可見，此監(jiān)測(cè)斷面地表沉降最大值在隧道中線偏左監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3處。結(jié)合相關(guān)監(jiān)測(cè)資料［9］，對(duì)于一般隧道地表沉降最大值應(yīng)出現(xiàn)在隧道中線位置，初步認(rèn)定此隧道南線出口端存在一定偏壓。由圖3可見，隨著隧道的開挖，各地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉波動(dòng)很大，其中開挖左、右上導(dǎo)坑對(duì)地表下沉影響顯著且此時(shí)下沉速率較大，表明相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足相應(yīng)的支護(hù)要求。2013年3月中下旬報(bào)警停工以后地表沉降維持穩(wěn)定直至2013年7月初設(shè)計(jì)、施工單位更改施工方案，增加相應(yīng)支護(hù)措施以后，隧道恢復(fù)施工。雖然隧道開挖中上導(dǎo)坑和下導(dǎo)坑時(shí)仍對(duì)地表下沉有一定影響，下沉速率卻明顯放緩，仰拱施工完畢后該監(jiān)測(cè)斷面沉降量逐漸趨于穩(wěn)定。從仰拱施工完畢到通過該監(jiān)測(cè)斷面50 m，此斷面各地表沉降監(jiān)測(cè)值無明顯變化。

2)拱頂沉降

隧道南線拱頂沉降縱向分布曲線見圖4。圖中Ⅲ～Ⅴ為設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別，SK5+060監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降時(shí)程曲線見圖5。各級(jí)別圍巖中拱頂沉降值見表1。

圖4 隧道南線拱頂沉降縱向分布曲線

圖5 SK5+060監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降時(shí)程曲線(2013年)

表1 各級(jí)別圍巖中拱頂沉降統(tǒng)計(jì)

從圖4可見，隧道南線出口段拱頂沉降較大，最大值已達(dá)－106.7 mm，而隧道中部與隧道進(jìn)口段沉降較小。結(jié)合表1可以看出同樣是設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖段，隧道進(jìn)口段拱頂沉降平均值只有－4.58 mm，而隧道出口段卻高達(dá)－93.58 mm，且Ⅳ級(jí)圍巖段也有相似結(jié)果。這表明在實(shí)際開挖過程中，進(jìn)口段圍巖條件和地質(zhì)條件要遠(yuǎn)好于預(yù)期，而出口段實(shí)際圍巖條件卻比預(yù)期惡劣，進(jìn)而在出口段開挖時(shí)出現(xiàn)過報(bào)警停工、改進(jìn)支護(hù)措施的事實(shí)。這再次說明了地下工程的復(fù)雜性和監(jiān)控量測(cè)工作的重要性。

從圖5可見，SK5+060監(jiān)測(cè)斷面左拱頂沉降值要明顯大于右拱頂。從最終沉降量來看，左拱頂比右拱頂多下沉36.38 mm;從平均值來看，左拱頂比右拱頂多下沉約20.36 mm。此數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了圖2中有關(guān)此斷面存在一定偏壓的推論。另外，開挖初期拱頂沉降快速增長(zhǎng)以致報(bào)警停工近三個(gè)月，更改方案復(fù)工以后沉降速率有所減慢，在仰拱施工完畢以后，各點(diǎn)沉降量達(dá)到最終沉降量的90%左右，沉降速率進(jìn)一步減小，變形緩慢增長(zhǎng)，大約20 d后基本達(dá)到穩(wěn)定。

3)洞周收斂

各斷面的洞周收斂測(cè)線布置參見圖1。由于隧道出口淺埋段圍巖穩(wěn)定性較差，并且施工工序復(fù)雜、隧道出口段在停工與復(fù)工之間時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)近3個(gè)月，加大了施工對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)，加之隧道在此可能存在的偏壓情況，使得此段隧道收斂相對(duì)較大，水平收斂穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)。南線隧道最大水平收斂(－17 mm)出現(xiàn)在隧道出口段，中部的水平收斂相對(duì)較小，平均值為－2.76 mm，并且其穩(wěn)定時(shí)間較短，大約在25 d。進(jìn)口段圍巖情況較好，其水平收斂亦相對(duì)較小，平均值為－3.88 mm，穩(wěn)定時(shí)間在30 d左右。

圖6是南線隧道SK5+060監(jiān)測(cè)斷面測(cè)線BD水平收斂、測(cè)線距掌子面距離與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖6可見，左、右上導(dǎo)坑開挖使該斷面產(chǎn)生較大水平收斂，中、下導(dǎo)坑的開挖也使該斷面收斂值迅速增加，直至掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面40 m后變形才趨于穩(wěn)定，略去隧道停工近三個(gè)月的時(shí)間，水平收斂波動(dòng)趨于穩(wěn)定的時(shí)間大概在50 d左右。根據(jù)相關(guān)資料，圍巖變形與測(cè)點(diǎn)到開挖面的距離L和隧道洞徑D有密切關(guān)系。理論上，收斂變形與L/D成指數(shù)關(guān)系，一般在L/D達(dá)到2～3后基本穩(wěn)定，隨后迅速減小直至穩(wěn)定［10］。

圖6 SK5+060監(jiān)測(cè)斷面測(cè)線BD的水平收斂、測(cè)線距掌子面距離時(shí)程曲線(2013年)

3.2 圍巖壓力及支護(hù)內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1)圍巖壓力

南線隧道SK5+050監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力時(shí)程曲線見圖7。

圖7 SK5+050監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力時(shí)程曲線(2013年)

從圖7可見，左拱肩在右上導(dǎo)坑開挖和中上導(dǎo)坑開挖時(shí)壓力增大了近270 kPa，其最大值達(dá)到399.49 kPa。究其原因，是由于相關(guān)導(dǎo)坑的開挖使周圍土體發(fā)生擾動(dòng)，原有土體對(duì)隧道周圍土體的約束減小，同時(shí)臨時(shí)支撐的拆除使得左上導(dǎo)坑荷載進(jìn)一步加大。隨著時(shí)間的推移，左拱肩壓力逐漸減小，隧道拱頂壓力逐步增加，說明隨著支護(hù)措施的施作，隧道周圍土體壓力重新分布。仰拱施工完畢后，壓力逐步減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

另外，南線隧道SK5+050監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)圍巖壓力明顯大于右側(cè)，如左拱肩、左邊墻土壓力平均值分別為163，150 kPa，而右拱肩、右邊墻土壓力平均值分別為6.2，35.3 kPa。這與圖2和圖5顯示此段存在一定偏壓的情況相符。

2)鋼支撐內(nèi)力

由于南線隧道SK5+050監(jiān)測(cè)斷面現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐鋼筋計(jì)部分被破壞，現(xiàn)以其斷面左上導(dǎo)坑、右上導(dǎo)坑為例，簡(jiǎn)略說明現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果。SK5+050監(jiān)測(cè)斷面鋼支撐內(nèi)力時(shí)程曲線見圖8。

圖8 SK5+050監(jiān)測(cè)斷面鋼支撐內(nèi)力時(shí)程曲線

由圖8可見，從隧洞開挖到臨時(shí)支撐拆除，初期支護(hù)和臨時(shí)支撐相互協(xié)作共同承擔(dān)圍巖和結(jié)構(gòu)的荷載。如左上導(dǎo)坑左邊墻外側(cè)在臨時(shí)支撐拆除前鋼支撐軸力平均值－10.32 MPa，左上導(dǎo)坑左邊墻內(nèi)側(cè)在臨時(shí)支撐拆除前軸力平均值－23.49 MPa，而左上導(dǎo)坑臨時(shí)支撐外側(cè)在臨時(shí)支撐拆除前軸力平均值只有－6.17 MPa，左上導(dǎo)坑臨時(shí)支撐內(nèi)側(cè)在臨時(shí)支撐拆除前軸力平均值也只有－4.6 MPa，說明此斷面隧洞左上導(dǎo)坑在臨時(shí)支撐拆除前由初期支護(hù)承擔(dān)主要荷載。右上導(dǎo)坑也有相似狀況，不同的是，右上導(dǎo)坑在臨時(shí)支撐拆除前由臨時(shí)支撐承擔(dān)了大部分荷載。

另外，可以看出臨時(shí)支撐的拆除使得初期支護(hù)承擔(dān)的荷載明顯增加，其中左上導(dǎo)坑初期支護(hù)在臨時(shí)支撐拆除后所受荷載增大了－17.82 MPa，右上導(dǎo)坑初期支護(hù)在臨時(shí)支撐拆除后所受荷載增大了－26 MPa。上導(dǎo)坑臨時(shí)支撐拆除后，其初期支護(hù)所受軸力在一段時(shí)間內(nèi)(約8 d)上下波動(dòng)，這表明其洞周應(yīng)力在重新分布，隨后軸力逐漸趨于穩(wěn)定。

3)二襯內(nèi)力

南線隧道SK5+050監(jiān)測(cè)斷面二襯應(yīng)力時(shí)程曲線見圖9。應(yīng)力以壓為負(fù)值，以拉為正值。

圖9 SK5+050監(jiān)測(cè)斷面二襯應(yīng)力時(shí)程曲線

從圖9可以看出，SK5+050監(jiān)測(cè)斷面二襯在澆筑完成約15 d內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力都處于波動(dòng)狀態(tài)，其中拱頂內(nèi)側(cè)曾出現(xiàn)過峰值為0.35 MPa的拉應(yīng)力，隨后逐漸變化為壓應(yīng)力。主要原因在于二襯澆筑后，混凝土固結(jié)導(dǎo)致應(yīng)力重分布，而隨著時(shí)間的推移，二襯各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定。該斷面二襯所受最大壓應(yīng)力約2.8 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，說明二襯結(jié)構(gòu)安全。

另外根據(jù)文獻(xiàn)［11］中偏心受壓構(gòu)件公式，計(jì)算得出此斷面二次襯砌各位置安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)最小值(12.3)出現(xiàn)在隧洞右邊墻位置，也大于規(guī)范要求值(2.4)，說明此斷面二襯結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)從南線隧道整體監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，隧道出口Ⅴ級(jí)圍巖段在施工初期，支護(hù)措施不能滿足實(shí)際情況的需要，在調(diào)整相關(guān)支護(hù)參數(shù)以后，地表沉降和隧洞變形情況都有了明顯好轉(zhuǎn)。說明調(diào)整后的支護(hù)措施與施工方法可行。

2)隧洞變形是時(shí)間和空間相互作用的結(jié)果，以隧洞水平收斂來看，掌子面影響的范圍大約在40 m左右，需要穩(wěn)定的時(shí)間大概在30～50 d，并且圍巖條件越惡劣，需要穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。

3)從地表沉降與隧道洞周變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，仰拱的施作對(duì)抑制地表下沉和隧洞變形起到顯著作用，這表明開挖斷面的及時(shí)閉合對(duì)控制隧道變形非常關(guān)鍵。

4)從支護(hù)內(nèi)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，初期支護(hù)承擔(dān)了大部分圍巖和結(jié)構(gòu)的荷載，二襯澆筑后分擔(dān)了一小部分荷載，使得隧洞周圍應(yīng)力重新分布。二襯結(jié)構(gòu)受力要遠(yuǎn)小于初期支護(hù)受力，說明二襯起到了安全儲(chǔ)備的作用。

隧道工程深入巖土體內(nèi)部，由于各種地質(zhì)環(huán)境或者結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性常常難以準(zhǔn)確把握巖土體的狀況，監(jiān)控量測(cè)工作可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)隧道施工過程中的各種變形和受力狀態(tài)，因此監(jiān)測(cè)資料可用于及時(shí)修正設(shè)計(jì)或調(diào)整施工方案。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U455

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．23

1003-1995(2015)04-0085-04

2014-10-20;

2015-02-10

曾宏飛(1989—)，男，四川瀘州人，碩士研究生。