超大斷面淺埋隧道圍巖變形的監(jiān)測研究

劉 國 棟

(中鐵城市發(fā)展投資集團有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

超大斷面隧道，學界判斷標準較多，一般以國際隧道協(xié)會和日本隧道相關規(guī)范的標準為準，國際隧道協(xié)會對超大斷面隧道的判斷標準為隧道凈空斷面面積不小于100 m2，日本隧道相關規(guī)范規(guī)定開挖面積大于140 m2的隧道為超大斷面隧道。本文對超大斷面隧道的定義采用日本隧道規(guī)范標準。

三車道超大斷面隧道在國內(nèi)施工較少，相關設計施工經(jīng)驗的積累也較為欠缺，本文結合巖頭山隧道的現(xiàn)場監(jiān)測成果，對三車道超大斷面隧道施工過程中開挖工法對圍巖及襯砌的變形的影響進行了分析研究，為不同地質條件下采用何種開挖工法的施工優(yōu)化提供了相關依據(jù)，并以期為類似工程的設計和施工提供參考。

2 工程背景

巖頭山隧道莆炎高速三明境尤溪中仙至建寧里心段YA17標段，設計左線樁號：ZK229+225～ZK231+429，全長2 204 m，設計右線樁號：K229+210～K231+409，全長2 199 m。設計內(nèi)輪廓斷面凈寬15.44 m，凈高9.94 m。洞身開挖面積SX5-3，SX5-2，SX5-1三種Ⅴ級隧道襯砌類型分別為161.97 m2,159.54 m2,156.32 m2,148.69 m2,均大于140 m2,為超大斷面隧道。

該隧道進口200 m左右為Ⅴ級圍巖，主要以⑦-2砂質粘性土、-1-1全風化花崗巖、-1-2砂土狀強風化花崗巖、-1-3碎塊狀強風化花崗巖為主(見表1)。

表1 主要圍巖力學參數(shù)表

本次監(jiān)控量測研究段落為ZK229+252～ZK229+272段落，均屬于Ⅴ級圍巖，埋深在20 m～30 m之間，均屬于淺埋段落。

本段隧道原設計斷面尺寸及開挖工法如圖1所示，開挖工法采用中隔壁法，開挖前掌子面拱部施作φ25中空注漿錨桿，邊墻施作φ22砂漿錨桿，開挖后采用噴射混凝土及鋪掛鋼筋網(wǎng)封閉，并采用工字鋼支撐，二襯為55 cm厚C35鋼筋混凝土。

3 現(xiàn)場情況及工法變更

2019年5月，隧道左洞現(xiàn)場施工原設計工法由雙側壁導坑法改為中隔壁法，中隔壁法先行導坑施工6榀3 m至ZK229+253里程處，掌子面發(fā)生大的掉塊，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)變化較大，掌子面難以自穩(wěn)，施工單位及時采取掌子面噴漿封閉及反壓回填等措施進行處理，經(jīng)四方現(xiàn)場確認，現(xiàn)場掌子面多為砂質粘土，且含水量較大，圍巖自穩(wěn)性極差。超前地質預報反饋推測掌子面前20 m范圍圍巖以全風化砂質粘土為主，巖質極軟，巖體極破碎，呈松散狀結構為主，層間結合差，圍巖自穩(wěn)能力差。

故決定從ZK229+253～ZK229+273段落開挖工法由中隔壁法改為雙側壁導坑法，加強監(jiān)控量測及超前地質預報。

4 監(jiān)控量測及結果分析

超大斷面隧道淺埋段施工，所用工法工序復雜，開挖順序及過程往往直接影響到圍巖及結構的穩(wěn)定性，且該隧道淺埋段地質情況極差，圍巖自穩(wěn)性差，自穩(wěn)時間長，采用監(jiān)控量測的手段是保證施工安全的必要手段。

本次監(jiān)控量測分別對隧道拱頂沉降，圍巖收斂及地表沉降進行了布點觀測，并從ZK229+252～ZK229+272段洞內(nèi)每5 m進行一次布點，地表沉降每10 m進行一次布點，布點情況如圖2～圖4所示,施工工序如圖5所示。

隧道監(jiān)測從2019年5月開始進行，該段落檢測至8月底結束，隧道監(jiān)測工作采集到大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，本文重點以洞內(nèi)及地表ZK229+252～ZK229+272段檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)進行分析研究，沉降數(shù)據(jù)結果如表2，表3所示(由于篇幅有限，本文數(shù)據(jù)僅展示監(jiān)測最終位移結果)。

表2 巖頭山隧道進口左洞拱頂沉降監(jiān)測值

表3 巖頭山隧道進口左洞地表監(jiān)測值

對以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：

1)對于同一斷面拱頂沉降A測點稍大于C測點，A,C兩測點遠大于B測點，主要是因為A測點處于先行導洞，C測點處于后行洞，先行洞承受的圍巖壓力大，后行洞開挖時先行洞已趨于穩(wěn)定，故C測點沉降較A測點小。

2)對于不同斷面相同位置處拱頂沉降，ZK229+252斷面明顯大于其他三個斷面，且越往大里程，拱頂沉降值越小，分析可知ZK229+252斷面處于中隔壁法開挖段落，單導坑跨度大，臨時支撐數(shù)量少，拱部承受集中荷載大，且處于工法變化段落，對圍巖擾動相對來說較大，故沉降值明顯大于其他三個斷面。越往大里程沉降值越小是因為隨著隧道開挖逐漸加深，隧道埋深也逐漸增大，隧道淺埋帶來的負面效應逐漸減小，且5月，6月處于三明地區(qū)雨季，埋深越淺，地表補水對圍巖的穩(wěn)定性影響越大，埋深越深，地表水的影響也逐漸變小。

3)對圍巖收斂數(shù)據(jù)分析來看，ZK229+252明顯小于其他三個斷面，而ZK229+252采用中隔壁法開挖，其他三個斷面均采用雙側壁導坑法開挖，且初支錨桿、噴混、鋼架型號均相同，通常來說應該是雙側壁導坑法更好控制圍巖的收斂變形，而數(shù)據(jù)結果恰恰與此相反。對于此種情況，研究小組從圍巖受力分析的角度難以得出與數(shù)據(jù)相似的結論，通過多次與施工單位及現(xiàn)場工人的溝通調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雙側壁導坑法由于將整個開挖面分為了三個導坑，單個導坑工作面狹小，而隧道初支鋼架鎖腳錨桿單根長4 m，在狹小空間內(nèi)進行鎖腳錨桿的施工很難保證鎖腳錨桿滿足設計的插入角度，所以采用雙側壁導坑法現(xiàn)場施工時，很多鎖腳錨桿斜插入巖體中，受力較差；而中隔壁法施工時作業(yè)空間大，均可以按照設計施工，滿足鎖腳錨桿設計的插入角度，這樣就很好的解釋了為什么采用雙側壁導坑法反而圍巖收斂值更大的問題了。

4)對地表兩組檢測數(shù)據(jù)對比可明顯看到ZK229+252處地表沉降大于ZK229+262，這與拱頂ZK229+252處沉降較大的數(shù)據(jù)相互對應，原因與第二點分析原因相類似，主要是工法的不同對隧道拱頂支撐能力的差別而導致沉降數(shù)據(jù)存在明顯差異。

5)在監(jiān)測過程中對數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)：

a.采用中隔壁法施工的段落拱頂日沉降值最大一次達到19.3 mm，而采用雙側壁導坑法施工的段落最大日沉降值僅為7.8 mm，兩者差距很大。

b.采用中隔壁法施工的段落圍巖從開挖后到日沉降值穩(wěn)定在1 mm以下間隔了23 d，采用雙側壁導坑法從開挖后到日沉降值穩(wěn)定在1 mm以下時間最長的斷面間隔時間僅為18 d。充分證明采用雙側壁導坑法更有利于圍巖自穩(wěn)。

5 結語

1)采用雙側壁導坑法進行超大斷面淺埋隧道施工相較于中隔壁法更有利于圍巖控制圍巖的變形，盡管采用雙側壁導坑法施工工序復雜，開挖進度緩慢，但在淺埋段可以更好的控制圍巖變形，更有利于施工安全。

2)圍巖變形是時空效應相互累加的結果，采用雙側壁導坑法相較于中隔壁法更有利于隧道短時間內(nèi)自穩(wěn)，且相同地質條件下，同處于淺埋地段，隧道埋深越深，自穩(wěn)時間越短。

3)雙側壁導坑法施工空間狹小，采用傳統(tǒng)的4 m長鎖腳錨桿現(xiàn)場施工很難保證插入角度，使得鎖腳錨桿的效果大打折扣，這點應引起設計及施工的充分注意，是否在設計或施工時對于采用雙側壁導坑法施工的段落錨桿長度可相應調(diào)整，并增加鎖腳錨桿數(shù)量來保證初支鋼架充分受力。

4)對于同一隧道相同斷面，無論是采用雙側壁導坑法還是中隔壁法，先行洞的沉降及變形均大于后行洞，所以本文建議在隧道施工過程中應加強先行洞的監(jiān)控量測及必要的臨時支護手段來保證先行洞的變形處于可控范圍內(nèi)，在隧道開挖工法設計時也應該對此有所考量。