小凈距立體隧道交叉段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

孟慶一

摘要：為保證小凈距立體隧道開挖過程中圍巖之間的穩(wěn)定性及支護(hù)體系的安全性，本文以新建隧道上跨既有隧道為工程背景，對(duì)隧道交叉段洞內(nèi)外狀態(tài)、拱頂下沉以及凈空變形等觀察及量測(cè)，分析新建隧道上跨施工時(shí)對(duì)下部既有隧道圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。得到以下結(jié)論：①隧道上跨施工時(shí)，拱頂沉降累計(jì)最大值出現(xiàn)在靠近底板處，交叉中心點(diǎn)累計(jì)沉降值最小;②最大凈空收斂出現(xiàn)在拱肩位置，拱腰和邊墻位置水平收斂依次減小;③在交叉隧道施工及設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)隧道底板及拱肩部分加強(qiáng)支護(hù)，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè);④合理的開挖及支護(hù)方案能夠有效地控制隧道交叉段圍巖的拱頂下沉及水平收斂，能夠降低新建隧道上跨開挖時(shí)對(duì)原有隧道的影響。

Abstract： In order to ensure the stability between the surrounding rock during the excavation process of the small clear distance tunnel and the safety of the supporting system， this paper takes the newly built tunnel over the existing tunnel as the engineering background， through the inner and outer state of the tunnel crossing section， the paper observes and measures the sinking and clearance deformation， and analyzes the influence of the construction of the new tunnel on the dynamic response of the surrounding rock and the stability of the supporting structure. The following conclusions are obtained： ①When the tunnel is over-span， the cumulative maximum value of the vault settlement appears near the bottom plate， and the cumulative settlement value of the intersection center point is the smallest; ②The maximum clearance convergence occurs at the shoulder position， the horizontal convergence of the the arch waist and the side wall position is reduced in turn; ③In the construction and design of the cross-over tunnel， the support of the tunnel floor and the shoulder portion should be strengthened and the monitoring and measurement should be strengthened; ④Reasonable excavation and support scheme can effectively control the collapse of the dome of the surrounding rock of the tunnel and the horizontal convergence and can reduce the impact of the new tunnel on the existing tunnel.

關(guān)鍵詞：交叉隧道;拱頂下沉;水平收斂;監(jiān)控量測(cè)

Key words： overlapped tunnel;vault collapse;horizontal convergence;monitoring measurement

中圖分類號(hào)：TU74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0102-03

0? 引言

在小凈距立體隧道交叉段施工中，如何保證新建隧道的施工安全，同時(shí)又能降低對(duì)既有隧道的擾動(dòng)，是施工中必須重視的關(guān)鍵問題[1]。對(duì)進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)是判斷隧道圍巖變形及穩(wěn)定的重要方法之一，同時(shí)也是隧道動(dòng)態(tài)施工的重要基礎(chǔ)[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)立體交叉隧道的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究：de Rooij等[3]介紹了現(xiàn)有隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并描述了滿足高密度城市高速公路交通隧道具體監(jiān)測(cè)所需的設(shè)施;Wang等[4]用數(shù)字技術(shù)建立了隧道的三維景觀莫型，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了隧道的先進(jìn)安全監(jiān)控系統(tǒng);姚勇等[5]，陳平[6]都以實(shí)際隧道工程為例，對(duì)隧道小凈距段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究;徐慧芬等[7]，尹鑰[8]對(duì)公路與鐵路立體交叉隧道進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，并分析了其圍巖安全性。

對(duì)于小凈距立體隧道工程施工而言，由于兩隧道圍巖彼此之間應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)存在一定影響，所以對(duì)隧道圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)以獲取圍巖力學(xué)行為及位移變化是必不可少的環(huán)節(jié)。本文以新建草莓溝1#隧道上跨既有盤道嶺隧道為工程背景，主要對(duì)盤道嶺隧道JDLDK01+375～425交叉段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，包括對(duì)隧道交叉段洞內(nèi)外狀態(tài)、拱頂下沉以及凈空變形等觀察及量測(cè)。經(jīng)過對(duì)監(jiān)控量測(cè)所得數(shù)據(jù)及施工狀態(tài)進(jìn)行分析，以此來研究新建隧道上跨施工時(shí)對(duì)下部原有隧道圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。本文研究結(jié)果可為小凈距立體交叉隧道施工及設(shè)計(jì)提供參考。

1? 工程概況

盤道嶺隧道處于遼寧省丹東市振興區(qū)，全長(zhǎng)4870m，為單線隧道，隧道內(nèi)埋深約17.5～106.5m;草莓溝1#隧道位于遼寧省丹東市草莓溝村，全長(zhǎng)3205m，為單洞雙線隧道，最大埋深約105m。草莓溝1#隧道在DK250+865～DK250+915處上跨盤道嶺隧道，相交處軌面高差為14.19m，結(jié)構(gòu)凈距4.24m，其交叉段空間位置如圖1所示。

立體隧道交叉區(qū)段地勢(shì)起伏較大，屬丘陵地貌單元，最大山頂標(biāo)高為134m;隧道交叉段圍巖主要以Ⅴ、Ⅵ級(jí)為主，以塊狀結(jié)構(gòu)或碎塊狀結(jié)構(gòu)為主，屬于較為破碎的軟弱圍巖，圍巖自穩(wěn)能力較差;該段主要巖層以灰白色的混合花崗巖為主，夾少量大理巖及粉砂巖，巖質(zhì)較硬。

因立體隧道凈間距較小、圍巖條件較差，隧道埋深較淺，在小凈距立體交叉隧道工程中具有較強(qiáng)的代表性。因此，為保證新建隧道上跨施工期間交叉段圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全性，對(duì)隧道交叉段洞內(nèi)外狀態(tài)、拱頂下沉以及凈空變形等展開監(jiān)控量測(cè)。

2? 隧道交叉段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要項(xiàng)目

監(jiān)控量測(cè)技術(shù)是隧道工程施工過程中不可缺少的工序環(huán)節(jié)，一般可以分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目。其中必測(cè)項(xiàng)目包括隧道洞內(nèi)外觀測(cè)、地表沉降、拱頂下沉、隧道凈空位移變化等;選測(cè)項(xiàng)目則包括圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、錨桿軸力等[9-10]。

由于草莓溝1#隧道及盤道嶺隧道凈間距過小，在草莓溝1#隧道上跨施工時(shí)，可能會(huì)對(duì)既有盤道嶺隧道交叉段圍巖力學(xué)行為及支護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，為了研究新建隧道上跨施工對(duì)既有隧道圍巖的力學(xué)及位移變化情況，本文主要選用洞內(nèi)外狀態(tài)、拱頂下沉以及凈空變形展開監(jiān)控量測(cè)，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

3? 立體隧道交叉段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 洞內(nèi)外狀態(tài)觀察

對(duì)隧道洞內(nèi)觀察具體包括圍巖初噴混凝土是否有剝落;圍巖是否存在裂隙及裂隙寬度大小;是否存在滲水和淋水;是否存在底鼓現(xiàn)象。通過對(duì)隧道洞內(nèi)情況進(jìn)行觀察，大致判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性。

在草莓溝1#隧道上跨盤道嶺隧道施工時(shí)，可能會(huì)對(duì)盤道嶺近接交叉段圍巖和支護(hù)的整體產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)上下隧道交叉段圍巖進(jìn)行洞內(nèi)觀察，以保證交叉段的安全。兩隧道洞內(nèi)詳細(xì)情況具體如圖2所示。

通過對(duì)兩隧道交叉段進(jìn)行洞內(nèi)觀察表明：既有盤道嶺隧道交叉段的實(shí)際洞內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)圍巖初噴混凝土剝落現(xiàn)象，未出現(xiàn)無滲水和淋水情況，圍巖情況較好;而盤道嶺草莓溝1#隧道交叉段洞內(nèi)DK250+865～DK250+885段掌子面圍巖較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育。

由于對(duì)交叉段隧道圍巖開挖后，立即對(duì)掌子面噴射混凝土，同時(shí)施做錨桿等圍巖加固措施，洞身圍巖穩(wěn)定性和整體性均得到提高。通過對(duì)洞內(nèi)狀態(tài)觀察表明，此種措施較好地控制了圍巖變形。通過肉眼觀察并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)交叉段有底鼓現(xiàn)象。

3.2 拱頂下沉監(jiān)測(cè)分析

為了研究隧道上跨施工對(duì)既有隧道拱部圍巖的力學(xué)變化，對(duì)既有盤道嶺隧道進(jìn)行拱頂沉降的監(jiān)測(cè)分析是其中最為關(guān)鍵的一步。由于草莓溝1#隧道開挖而導(dǎo)致盤道嶺隧道上部圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力進(jìn)行重新分布。圍巖應(yīng)力釋放可能使隧道圍巖向臨空面滑動(dòng)，使隧道發(fā)生較大變形。因此必須對(duì)既有盤道嶺隧道進(jìn)行拱頂下沉的監(jiān)測(cè)，時(shí)刻掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化。

對(duì)隧道交叉段拱頂下沉測(cè)量主要使用S3光學(xué)水準(zhǔn)儀（拱頂下沉測(cè)量）、塔尺及鋼尺（高程測(cè)量），其測(cè)量所用設(shè)備如圖3所示。

根據(jù)規(guī)范對(duì)圍巖不同斷面進(jìn)行拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置，具體如圖4所示。同時(shí)根據(jù)交叉段圍巖具體情況選取盤道嶺隧道交叉段JDLDK01+375～425為主要觀察對(duì)象，每隔10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（記為斷面1～5）。

通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的整理與分析，具體沉降累計(jì)曲線如圖5所示。

由圖5分析可知：①關(guān)于交叉點(diǎn)對(duì)稱的兩位置拱頂沉降累計(jì)曲線線性相似，距離中心點(diǎn)10m處拱頂沉降累計(jì)值最大，交叉中心點(diǎn)累計(jì)沉降值最小。②總體上各斷面沉降值都遠(yuǎn)小于最大沉降臨界值，產(chǎn)生的拱頂下沉量小于其余各斷面，表明了上部隧道開挖有效控制了下部隧道拱頂圍巖荷載釋放。③通過測(cè)得的最大拱頂沉降值為20mm，滿足拱頂位移值標(biāo)準(zhǔn)（50～100mm）;表明在草莓溝1#隧道上跨施工時(shí)對(duì)既有隧道的支護(hù)變形影響較小，且因其襯砌結(jié)構(gòu)的合理性也使得圍巖在拱頂?shù)淖冃位镜玫搅丝刂啤?/p>

新建草莓溝1#隧道上跨施工時(shí)采用環(huán)形導(dǎo)坑底板圍巖加固的開挖支護(hù)方案，開挖時(shí)對(duì)既有隧道圍巖影響較小，表明合理的開挖及支護(hù)方案能夠有效地控制隧道交叉段圍巖的拱頂下沉。

3.3 凈空變形監(jiān)測(cè)分析

為及時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化，在開挖后的圍巖表面安設(shè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其中可能發(fā)生大變形和應(yīng)力集中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)圍巖收斂變形量的分析來判斷圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)隧道交叉段水平收斂測(cè)量主要使用JSS30A收斂計(jì)（水平收斂測(cè)量）、自制掛鉤（固定收斂計(jì)），其測(cè)量所用設(shè)備如圖6所示。

對(duì)盤道嶺隧道交叉段JDLDK01+375～425所選取的1～5斷面的不同測(cè)線位置（Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ）水平收斂監(jiān)測(cè)值分析，其測(cè)點(diǎn)布置具體如圖4所示。

通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的整理與分析，得到其累計(jì)收斂曲線如圖7所示。

由圖7中水平收斂累計(jì)曲線可以看出：①斷面中邊墻位置收斂最小，其中邊墻最大收斂為3.16mm，拱腰和拱肩位置水平收斂依次增大，拱腰最大收斂為12.26mm，拱肩最大收斂為16.61mm;②根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，距離交叉中心點(diǎn)10m位置的斷面2和斷面4在邊墻和拱腰位置變形量都不大甚至還呈現(xiàn)出了微弱的擴(kuò)張趨勢(shì)，表明了隧道邊墻周圍圍巖變形得到了有效控制;③通過收斂變化曲線圖可以看出各測(cè)點(diǎn)曲線沒有反拐現(xiàn)象發(fā)生，水平收斂逐漸趨于平緩，說明上跨隧道爆破開挖對(duì)下部隧道圍巖擾動(dòng)影響不大，上部草莓溝1#隧道采用周邊孔光爆技術(shù)、增加炮孔數(shù)量的措施有效控制了圍巖變形;④其中所測(cè)的凈空收斂最大變形值為16.88mm，符合位移值管理標(biāo)準(zhǔn)（50～100mm）;表明草莓溝1#隧道上跨施工時(shí)對(duì)既有盤道嶺隧道影響較小，滿足圍巖的收斂變形條件。

4? 結(jié)論

本文主要通過對(duì)既有盤道嶺隧道交叉段洞內(nèi)外狀態(tài)、拱頂下沉以及凈空變形等的觀察及量測(cè)，并對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道上跨施工時(shí)，拱頂沉降累計(jì)最大值出現(xiàn)在靠近底板處，交叉中心點(diǎn)累計(jì)沉降值最小;同時(shí)每次上導(dǎo)坑開挖后，上部隧道出現(xiàn)明顯沉降，而在支護(hù)后一定時(shí)間內(nèi)無沉降出現(xiàn);②圍巖收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道上跨施工造成下部隧道最大凈空收斂出現(xiàn)在拱肩位置，拱腰和邊墻位置處水平收斂逐漸減小;③在立體隧道交叉段施工及設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)隧道底板及拱肩部分加強(qiáng)支護(hù)，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè);④合理的開挖及支護(hù)方案能夠有效地控制隧道交叉段圍巖的拱頂下沉及水平收斂，能夠減少新建隧道上跨施工時(shí)對(duì)既有隧道的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]張俊仁.鐵路隧道工程施工監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用與分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2019，42（07）：185-189.

[2]劉志強(qiáng).淺埋偏壓隧道變形監(jiān)測(cè)方法及變形規(guī)律研究[J].價(jià)值工程，2019，38（25）：179-180.

[3]de Rooij， J. Tunnel monitoring and control system[P]. Electrical and Electronic Systems for Road Tunnels， IEE Colloquium on，1992.

[4]Haitao Wang， Jinqing Jia. Dynamic Monitoring and Numerical Simulation of Tunnel Under Difficult Ground Condition[P]. Modelling， Simulation and Optimization， 2008. WMSO '08. International Workshop on， 2008.

[5]姚勇，何川，張玲玲.紫坪埔隧道小凈距段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S1）：3295-3300.

[6]陳平.小凈距隧道開挖工法合理性研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)， 2018，35（04）：65-69.

[7]徐慧芬，鄭少華，馬超.公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性分析[J].公路，2017，62（10）：299-302.

[8]尹鑰.公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性[J].山西建筑， 2018，44（09）：174-175.