超大斷面淺埋隧道開挖施工監(jiān)測分析

侯文雋，桂亞琮，陳綠佳

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

0 前言

目前，對超大斷面判斷的標(biāo)準(zhǔn)較多，主要以國際隧道協(xié)會(huì)判斷標(biāo)準(zhǔn)為主。國際隧道協(xié)會(huì)對大斷面的判斷標(biāo)準(zhǔn)：凈空斷面面積大于100m2即可定義為超大斷面隧道。而本文所分析的隧道開挖斷面達(dá)到344m2，完全超出了超大斷面隧道的面積。這就要求在隧道開挖過程中不能引起地表及圍巖產(chǎn)生過大變形，以保證隧道的完整性和穩(wěn)定性。

蔣樹屏[1]等通過對超大斷面隧道的研究，得出隧道圍巖變形以拱頂下沉為主，兩邊墻有像內(nèi)部移動(dòng)的跡象；谷拴成等[2]根據(jù)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得出了隧道圍巖變形經(jīng)歷急劇變形、持續(xù)增長、緩慢增長的三個(gè)階段；靳曉光等[3]利用TMS系統(tǒng)對圍巖不同深度的徑向位移跟蹤監(jiān)測，并確定了適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)間；羅興虎[4]通過信息化施工的監(jiān)測手段，對陸域明挖段典型斷面分析，及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的險(xiǎn)情，確保工程安全。王漢鵬等閉采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法分析了圍巖穩(wěn)定性情況；季毛偉等[5]對隧道施工開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了施工方案及支護(hù)設(shè)計(jì)，分析了對隧道整體結(jié)構(gòu)的影響；趙幫亞等[6]通過監(jiān)測判定實(shí)施二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)。

1 工程背景

廣東沿海某公路隧道工程，該項(xiàng)目沿線敏感建筑物較多，且隧道上部地表車流人流大，所以對變形控制要求嚴(yán)格。隧道長255m，采用上下疊層的卵形結(jié)構(gòu)，開挖斷面達(dá)到344m2，設(shè)計(jì)埋深僅為6～7m，結(jié)構(gòu)周長66m，開挖寬度18.8m，開挖高度21.0m，隧道分5個(gè)臺(tái)階14個(gè)區(qū)域進(jìn)行開挖。

隧道位于海邊，隧址區(qū)上部覆蓋層發(fā)育，且?guī)r性在縱向上具有海相、海陸交互相、陸相多層結(jié)構(gòu)，巖性條件較為復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，隧道所穿越的主要底層如表1所示。

地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表 表1

2 監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測方法

隧道上部地表周邊環(huán)境如圖1所示。為保證隧道開挖作業(yè)的安全以及保護(hù)周邊地表環(huán)境，在隧道沿線區(qū)域進(jìn)行了地表沉降、臨近建筑物位移，深層土體側(cè)向位移的監(jiān)測，對隧道內(nèi)部進(jìn)行了拱頂下沉和凈空相對位移（收斂）監(jiān)測。

圖1 暗挖隧道總平面圖

①地表沉降：地表沉降觀測的目的是測量隧道開挖的過程中地表相對原地表的高程變化，在隧道開挖影響區(qū)域以外布置了3個(gè)沉降監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)，在隧道開挖沿線上共設(shè)置了24個(gè)橫向監(jiān)測斷面，平均每個(gè)斷面設(shè)置15個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)。②拱頂下沉：隧道內(nèi)部每10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，在拱頂位置布置拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)。③凈空相對位移（收斂）：在每個(gè)布置了拱頂下沉監(jiān)測的斷面同時(shí)也設(shè)置了凈空相對位移監(jiān)測點(diǎn)，使用收斂計(jì)進(jìn)行量測。每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置3條收斂測線。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)常會(huì)遭到破壞或遮擋等情況，考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性，地表沉降和土體深層側(cè)向位移選取了K2+410斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，拱頂下沉選取了K2+390、K2+400和K2+410計(jì)3個(gè)斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 地表沉降監(jiān)測分析

K2+410斷面地表沉降變形曲線如圖2所示，正值表示下沉，負(fù)值表示隆起。

圖2 K2+410斷面地表沉降曲線

從地表累計(jì)沉降曲線可看出：①在中軸線兩側(cè)約10m以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，地表變形在一至三臺(tái)階開挖支護(hù)過程中，基本呈逐漸下沉狀態(tài)，之后呈逐漸上升狀態(tài)，在該區(qū)域內(nèi)，地表變形曲線沿中軸線左右兩側(cè)呈不對稱分布狀態(tài)，中間凸起，兩邊下沉，且存在在沉降差，左側(cè)沉降量較大，右側(cè)沉降量較小，具體見表2；②在中軸線兩側(cè)約10m以外的區(qū)域，在一、二臺(tái)階開挖支護(hù)過程中，處于下沉變形階段，在之后的施工過程中，呈逐漸隆起狀態(tài)。

地表監(jiān)測點(diǎn)變形最大值統(tǒng)計(jì)表 表2

一般情況下，隧道開挖引起的地表下沉變形會(huì)隨著隧道的開挖而逐漸增大，但是在本隧道開挖過程中，從地表沉降變化曲線可以看出，地表豎向變形隨著隧道開挖進(jìn)度，出現(xiàn)先下沉后上升的情況。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隧道開挖引起的地表下沉變形量并不大，下沉最大值為11.87mm，說明隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)對地表下沉變形的控制效果好，而且由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，隧道開挖過程中，地表變形也較為穩(wěn)定。

3.2 拱頂下沉監(jiān)測分析

圖3 K2+390斷面拱頂下沉變化曲線

圖4 K2+400斷面拱頂下沉變化曲線

圖5 K2+410斷面拱頂下沉變化曲線

K2+390、K2+400和K2+410這3個(gè)斷面的拱頂下沉變化曲線如圖3至圖5所示，其中正值表示下沉變形。從這3個(gè)斷面的拱頂下沉累計(jì)值變化曲線可看出一個(gè)明顯的規(guī)律，即隧道開挖之后，拱頂是先下沉，之后到再向上抬升，這與隧道的開挖方法和支護(hù)形式是密切關(guān)聯(lián)的。

隧道一臺(tái)階開挖之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未施做完畢之前，圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)部的位移，此時(shí)，拱頂變形形式表現(xiàn)為下沉，且下沉速率較大。隨著一臺(tái)階的支護(hù)結(jié)構(gòu)施做，支護(hù)結(jié)構(gòu)對隧道的變形形成有效的約束，阻止了拱頂?shù)倪M(jìn)一步下沉變形；隨著下部臺(tái)階的開挖和支護(hù)的施做完畢，形成的支護(hù)體系更加穩(wěn)定、剛度更大，對拱頂下沉的變形約束能力也就更強(qiáng)。此外，隧道內(nèi)每一個(gè)臺(tái)階開挖之后，下部土體出現(xiàn)應(yīng)力不平衡狀態(tài)，對隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎直向上的作用力，且隨著隧道的開挖，下部土體對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力越大，所以，在一臺(tái)階開挖后，隧道拱頂出現(xiàn)向上的位移。

3.3 隧道凈空相對位移（收斂）監(jiān)測分析

本文選取了K2+410斷面的收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論。該斷面的3條測線的收斂累計(jì)變化曲線如圖6所示，其中負(fù)值表示隧道內(nèi)部凈空相對收縮變形。

圖6 收斂累計(jì)變化曲線

①測線1監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。一臺(tái)階開挖至斷面K2+410后，開始在該斷面布設(shè)測線1洞內(nèi)收斂監(jiān)測點(diǎn)并進(jìn)行監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果上看，監(jiān)測初期由于監(jiān)測點(diǎn)距離一臺(tái)階開挖面較近，收斂值一開始出現(xiàn)細(xì)微的波動(dòng)，然后出現(xiàn)一段快速的增長階段。當(dāng)二臺(tái)階開挖面通過K2+410斷面時(shí)，測線1收斂值出現(xiàn)波動(dòng)，而且波動(dòng)幅度比監(jiān)測初期大，從9月8號(hào)開始一直到9月30號(hào)，在這段時(shí)間內(nèi)測線1收斂值處于波動(dòng)狀態(tài)；在二臺(tái)階開挖面距離K2+410斷面較遠(yuǎn)之后至三臺(tái)階開挖至K2+410斷面之前的這段時(shí)間內(nèi)，測線1收斂值回歸平緩變化狀態(tài)。在三臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面時(shí)的變化規(guī)律與二臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面時(shí)相類似，當(dāng)三臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面的過程中，一臺(tái)階收斂值出現(xiàn)較大波動(dòng)，且在波動(dòng)中增大，當(dāng)三臺(tái)階開挖面遠(yuǎn)離K2+410斷面后，一臺(tái)階收斂值再次回到較穩(wěn)定的狀態(tài)。在四臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面時(shí)的變化規(guī)律與三臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面時(shí)相類似，當(dāng)四臺(tái)階開挖面經(jīng)過K2+410斷面的過程中，測線1收斂值再次出現(xiàn)較大波動(dòng)，而且增長較大，當(dāng)四臺(tái)階開挖面遠(yuǎn)離K2+410斷面后，測線1收斂值再次回到較穩(wěn)定的狀態(tài)。之后在五臺(tái)階開挖過程中，測線1收斂值已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，顯然，五臺(tái)階開挖過程對一臺(tái)階收斂變化影響很小。

②測線2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。從測線2收斂監(jiān)測時(shí)程曲線上看，顯然與測線1的收斂監(jiān)測結(jié)果有類似的規(guī)律。當(dāng)二臺(tái)階開挖面剛通過監(jiān)測點(diǎn)所在斷面時(shí)，監(jiān)測值出現(xiàn)波動(dòng)，但總的來說是隨時(shí)間增長的。在三臺(tái)階開挖斷面經(jīng)過K2+410斷面的過程中，收斂值變化較大，而且有突然增大的現(xiàn)象；隨后在三臺(tái)階通過K2+410斷面之后到四臺(tái)階到達(dá)K2+410斷面之前的這段時(shí)間內(nèi)，二臺(tái)階收斂值處于緩慢增長狀態(tài)，變化速率較為穩(wěn)定。四臺(tái)階開挖面通過K2+410斷面的過程中，二臺(tái)階收斂值再次出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)增長較大，直到四臺(tái)階開挖面通過K2+410斷面之后，二臺(tái)階收斂值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

③測線3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。測線3的監(jiān)測結(jié)果與測線1及測線2有著相同的規(guī)律，即三臺(tái)階開挖面與測點(diǎn)距離較近時(shí)，收斂值快速增大，隨后進(jìn)入較為穩(wěn)定狀態(tài)；在四臺(tái)階開挖面通過K2+410斷面的過程中，三臺(tái)階收斂值出現(xiàn)波動(dòng)，并快速增大，當(dāng)四臺(tái)階開挖面通過K2+410斷面之后，收斂值處于穩(wěn)步增大的狀態(tài)；當(dāng)五臺(tái)階開挖過程中，收斂值出現(xiàn)較大增長，隨后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。通過收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，隧道開挖之后，由于土體應(yīng)力釋放，圍巖對隧道產(chǎn)生徑向壓力，隧道周圍土體出現(xiàn)向隧道內(nèi)部的位移。在隧道開挖至五臺(tái)階之前，隧道內(nèi)部的收斂變形處于變化較大階段；而且，當(dāng)下部臺(tái)階開挖面通過監(jiān)測斷面的時(shí)候，上部的測線收斂值都出現(xiàn)了波動(dòng)，說明下部臺(tái)階開挖對上部臺(tái)階的收斂變形會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而且這個(gè)影響并不是單方向的，而是一種反復(fù)波動(dòng)的變化，但是總體上來，隧道還是處于逐漸收縮變形的狀態(tài)。上部四個(gè)臺(tái)階都開挖且支護(hù)完成之后，隧道襯砌和臨時(shí)支撐形成一個(gè)較為穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，對隧道周邊圍巖的變形形成一個(gè)較為完整的約束體系，所以，五臺(tái)階的開挖對一二臺(tái)階的收斂變化影響小，對三臺(tái)階的收斂變形影響也較為穩(wěn)定，并沒導(dǎo)致測線3的收斂值出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

4 結(jié)語

通過對隧道開挖過程中的監(jiān)測工作情況，并選取典型斷面和典型測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到隧道開挖過程中，地表沉降、拱頂下沉、凈空相對位移、的變化規(guī)律。結(jié)論如下。

①隧道開挖導(dǎo)致地表出現(xiàn)了明顯的下沉和隆起不均勻變形，但豎向位移并不大。在靠近隧道上部的地表出現(xiàn)了下沉，而且豎向位移曲線呈中間凸起兩邊不均勻下沉狀態(tài)，在隧道邊線以外區(qū)域的地表呈隆起狀態(tài)。在整個(gè)開挖過程中，地表豎向位移呈先下沉后抬升的趨勢。

②隧道開挖過程中，拱頂下沉存在明顯的先下沉再抬升的變化趨勢，通過三個(gè)斷面拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果對比可以知道，拱頂下沉與抬升變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)取決于一臺(tái)階開挖支護(hù)的速度，速度越快，抬升越早。

③隧道凈空相對位移監(jiān)測結(jié)果反映了隧道開挖后呈不均勻收斂變形狀態(tài)，下部臺(tái)階的開挖對上部的支護(hù)結(jié)構(gòu)的收斂變形存在影響，四臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)施做后，隧道的收斂變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。