王村隧道采用上臺階CD法施工監(jiān)測結(jié)果與分析

聶記良 向忠寶 王強

【摘 要】在大跨度黃土隧道施工過程中，為保證隧道施工安全，監(jiān)控量測工作非常必要。本文以黃延高速公路擴能工程LJ-4標(biāo)王村隧道為工程背景，通過對隧道右線Ⅴ級圍巖深埋段初期支護進(jìn)行監(jiān)控量測，測試結(jié)果表明：在王村隧道Ⅴ級圍巖深埋段采用上臺階CD法進(jìn)行施工，能夠保證隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全，為今后類似工程施工提供了參考依據(jù)和經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】大跨度；黃土隧道；上臺階CD法；監(jiān)控量測

1.引言

在大跨度黃土隧道施工過程中，由于黃土具有圍巖強度低、自穩(wěn)能力差、受水影響強烈、圍巖變形顯著等特點[1]，施工過程中容易出現(xiàn)襯砌開裂、拱部沉降過大、甚至塌方等問題。因此在隧道施工過程中必須進(jìn)行監(jiān)控量測，通過監(jiān)控量測掌握圍巖的變形特征及其發(fā)展趨勢，進(jìn)而對隧道施工方案及支護參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以確保隧道施工安全[2]。本文以王村隧道為依托工程，通過對隧道右線Ⅴ級圍巖深埋段初期支護進(jìn)行監(jiān)控量測，研究上臺階CD法在大跨度黃土隧道Ⅴ級圍巖深埋段的適用性及采用其施工方法后隧道圍巖的變形規(guī)律，可為今后類似工程施工提供參考依據(jù)和經(jīng)驗。

2.工程概況

王村隧道位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，隧道設(shè)計為曲線型分離式雙向六車道，最大開挖斷面177.1m2，最大開挖跨度17.04m，最大開挖高度11.78m。隧址區(qū)揭露地層由老至新依次有第四系下更新統(tǒng)午城組黃土（Q1eol）、中更新統(tǒng)離石組黃土（Q2eol）和上更新統(tǒng)馬蘭組黃土（Q3eol）。隧道圍巖單一，為Ⅴ級圍巖。隧址區(qū)地下水總體不豐富，在第四系黃土中有含水層，處于該段的隧道圍巖含水率為19.8%～24.25%，其圍巖穩(wěn)定性較差，開挖時會有滴水或滲水現(xiàn)象。隧道Ⅴ級圍巖深埋段施工采用上臺階CD法，初期支護采用超前小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿、鎖腳錨管、鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體，二次襯砌采用鋼筋混凝土襯砌。

3.監(jiān)控量測方案

3.1監(jiān)控量測目的及內(nèi)容

隧道施工過程中，通過監(jiān)控量測要達(dá)到以下4個目的：①研究上臺階CD法在大跨度黃土隧道Ⅴ級圍巖深埋段的適用性及采用其施工方法后隧道圍巖的變形規(guī)律；②掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，為隧道施工日常管理提供安全信息；③通過對量測數(shù)據(jù)的分析處理與必要的計算和判斷后，進(jìn)行預(yù)測和反饋，以便對設(shè)計和施工的合理性進(jìn)行評估，以確保施工安全和隧道的支護襯砌結(jié)構(gòu)的可靠度[3]；④為信息反饋技術(shù)和其他類似工程積累監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗[3]。監(jiān)控量測項目包括初期支護的拱部下沉和初期支護的凈空收斂。

3.2監(jiān)控量測斷面及測點布置

王村隧道右線Ⅴ級圍巖深埋段共埋設(shè)6個變形監(jiān)測斷面，埋設(shè)樁號如表1所示。

表1 隧道變形監(jiān)測斷面樁號

斷面序號 斷面樁號 斷面序號 斷面樁號

1 YK11+954.6 4 YK11+933.0

2 YK11+951.0 5 YK11+929.8

3 YK11+938.4 6 YK11+926.8

根據(jù)現(xiàn)場施工方法，在先行上導(dǎo)和后行上導(dǎo)埋設(shè)全站儀反光貼膜測點，采用TOPCON OS-602G全站儀監(jiān)測隧道開挖及施工過程中隧道的凈空收斂和拱部下沉變化情況，測點布置如圖1所示[4]。

4.監(jiān)控量測結(jié)果與分析

4.1凈空收斂

由于篇幅有限，僅選擇YK11+933.0和YK11+929.8斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其凈空收斂時態(tài)曲線如圖2和圖3所示。

圖1 Ⅴ級圍巖深埋段變形監(jiān)測測點布置圖

圖2 YK11+933.0斷面凈空收斂時態(tài)曲線圖

圖3 YK11+929.8斷面凈空收斂時態(tài)曲線圖

（1）先行上導(dǎo)收斂

由圖2～3可知先行上導(dǎo)拱腰處最大收斂值為56mm、35mm，平均值為45.5mm，最終收斂值為38mm、1mm，平均值為19.5mm；先行上導(dǎo)最大開挖線處最大收斂值為136mm、58mm，平均值為97mm，最終收斂值為116mm、55mm，平均值為85.5mm。在后行上導(dǎo)開挖之前，先行上導(dǎo)收斂曲線呈直線型增長，增長速率先大后小然后再變大，在后行上導(dǎo)即將開挖時，其收斂值達(dá)到最大值，后行上導(dǎo)開挖后，其收斂值呈直線型急劇減小，在先行下導(dǎo)即將開挖時，其收斂值呈放緩趨勢，先行下導(dǎo)開挖后，其收斂曲線呈緩慢增長階段，然后逐漸趨于穩(wěn)定。后行上導(dǎo)開挖對先行上導(dǎo)的收斂影響較大。

先行上導(dǎo)拱腰處的最大收斂值和最終收斂值均小于其最大開挖線處的最大收斂值和最終收斂值；先行上導(dǎo)最大開挖線處的最大收斂值約為其拱腰處的最大收斂值的1.91倍，先行上導(dǎo)最大開挖線處的最終收斂值約為其拱腰處的最終收斂值的4.39倍，可見后行上導(dǎo)開挖對先行上導(dǎo)拱腰處的收斂值的影響大于后行上導(dǎo)開挖對先行上導(dǎo)最大開挖線處的收斂值的影響。

（2）后行上導(dǎo)收斂

由圖2～3可知王村隧道后行上導(dǎo)最大開挖線最終收斂值為27mm、72mm，平均值為49.5mm。在先行下導(dǎo)開挖之前，后行下導(dǎo)最大開挖線處的收斂曲線基本呈直線型增長，增長速率較為平緩，先行下導(dǎo)開挖之后，其收斂曲線呈直線型增長，增長速率急劇增加，后行下導(dǎo)開挖之后，其收斂曲線繼續(xù)呈直線型增長，增長速率緩慢，然后逐漸趨于穩(wěn)定。先行下導(dǎo)開挖引起的相對收斂較大，后行上導(dǎo)、后行下導(dǎo)開挖引起的相對收斂較小。

4.2拱部沉降

由于篇幅有限，僅選擇YK11+933.0和YK11+929.8斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其下沉?xí)r態(tài)曲線如圖4～7所示。

圖4 先行上導(dǎo)YK11+933.0斷面拱部下沉?xí)r態(tài)曲線圖

圖5 先行上導(dǎo)YK11+929.8斷面拱部下沉?xí)r態(tài)曲線圖

圖6 后行上導(dǎo)YK11+933.0斷面拱部下沉?xí)r態(tài)曲線圖

圖7 后行上導(dǎo)YK11+929.8斷面拱部下沉?xí)r態(tài)曲線圖

（1）先行上導(dǎo)初期支護階段拱部下沉

由圖4～5可知，先行上導(dǎo)初期支護階段拱部下沉的最終沉降量為61mm～131mm，平均值為103.2mm。在后行上導(dǎo)開挖之前，其下沉?xí)r態(tài)曲線基本呈直線型增長，增長速率先大后小然后再變大，后行上導(dǎo)開挖后，其下沉值繼續(xù)增加，增長速率急劇增加，中隔壁拆除、仰拱開挖之后，其下沉曲線呈放緩趨勢，呈緩慢增長階段，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

先行上導(dǎo)開挖引起的拱部下沉比例較大，后行上導(dǎo)開挖引起的拱部下沉比例其次，先行下導(dǎo)、后行下導(dǎo)、中隔壁拆除、仰拱開挖及封閉引起的拱部下沉比例較小。各研究斷面的拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱開挖之前的比例為穩(wěn)定后總沉降量的94.5%，說明初期支護的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱開挖之后的變化很小。先行上導(dǎo)拱部沉降時態(tài)曲線大致相同，最終沉降值也基本相同，這說明隧道先行上導(dǎo)拱部為整體下沉。

（2）先行上導(dǎo)初期支護階段中隔壁腰和中隔壁腳下沉

由圖4～5可知，先行上導(dǎo)初期支護階段中隔壁腰和中隔壁腳的最終沉降量為54mm～60mm，平均值為57mm。在后行上導(dǎo)開挖之前，其下沉?xí)r態(tài)曲線基本呈直線型增長，增長速率先大后小然后再變大，后行上導(dǎo)開挖后，其下沉值繼續(xù)增加，增長速率急劇增加，后行下導(dǎo)開挖后，其下沉曲線呈放緩趨勢，呈緩慢增長階段，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

先行上導(dǎo)開挖引起的中隔壁腰和中隔壁腳下沉比例較大，后行上導(dǎo)開挖引起的中隔壁腰和中隔壁腳下沉比例其次，先行下導(dǎo)、后行下導(dǎo)開挖引起的中隔壁腰和中隔壁腳下沉比例較小。各研究斷面的中隔壁腰和中隔壁腳下沉在先行下導(dǎo)、后行下導(dǎo)開挖之前的比例為中隔壁拆除前總沉降量的73.1%，說明初期支護的中隔壁腰和中隔壁腳沉降在先行下導(dǎo)、后行下導(dǎo)開挖之后的變化較小。

（3）后行上導(dǎo)初期支護階段拱部下沉

由圖6～7可知，后行上導(dǎo)初期支護階段拱部下沉的最終沉降量為24mm～65mm，平均值為36.5mm。在后行下導(dǎo)開挖之前，其下沉?xí)r態(tài)曲線基本呈直線型增長，增長速率先大后小然后再變大，后行下導(dǎo)開挖后，其下沉值繼續(xù)增加，增長速率急劇增加，中隔壁拆除、仰拱開挖之后，其下沉曲線呈放緩趨勢，呈緩慢增長階段，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

后行上導(dǎo)、先行下導(dǎo)開挖引起的拱部下沉比例較大，后行下導(dǎo)、中隔壁拆除、仰拱開挖及封閉引起的拱部下沉比例較小。各研究斷面的拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱開挖之前的比例為穩(wěn)定后總沉降的88.5%，說明初期支護的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱開挖之后的變化較小。后行上導(dǎo)拱部沉降時態(tài)曲線大致相同，最終沉降值也基本相同，這說明隧道后行行上導(dǎo)拱部為整體下沉。

5.結(jié)論與建議

通過對王村隧道右線Ⅴ級圍巖深埋段初期支護結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，主要得出如下結(jié)論：

（1）初期支護凈空收斂

上臺階CD法施工過程中，先行上導(dǎo)收斂經(jīng)歷了“收斂-擴張-穩(wěn)定”三個階段；先行上導(dǎo)收斂受后行上導(dǎo)開挖的影響較大；后行上導(dǎo)收斂受先導(dǎo)邊墻開挖的影響較大。

（2）初期支護拱部下沉

①隧道拱部下沉受先行上導(dǎo)和后行上導(dǎo)的開挖影響最大；隧道拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱開挖之前的比例為穩(wěn)定后總沉降的88.5%～94.5%，說明初期支護的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱開挖之后的變化很小。

②中隔壁臨時支護下沉受先行上導(dǎo)開挖影響最大，受后行上導(dǎo)開挖影響其次，受先導(dǎo)邊墻和后導(dǎo)邊墻開挖影響最小。

③隧道拱部沉降時態(tài)曲線大致相同，最終沉降值也基本相同，說明隧道拱部為整體下沉。

通過對王村隧道右線Ⅴ級圍巖深埋段初期支護進(jìn)行監(jiān)控量測，測試數(shù)據(jù)表明：在王村隧道Ⅴ級圍巖深埋段采用上臺階CD法進(jìn)行施工，能夠保證隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全，在王村隧道Ⅴ級圍巖深埋段采用上臺階CD法進(jìn)行施工是切實可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn).公路隧道施工技術(shù)規(guī)范JTG F60—2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn).公路隧道施工技術(shù)細(xì)則JTG/T F60—2009[S].北京：人民交通出版社，2010.