多孔小凈距隧道施工圍巖穩(wěn)定性分析

盧曉穎

(平潭綜合實驗區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，福建 平潭 350400)

小凈距隧道是介于分離式隧道與連拱隧道之間的一種隧道布置形式。隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，小凈距隧道因其利于公路整體線形規(guī)劃和線路優(yōu)化、節(jié)約建設(shè)用地等優(yōu)點，已在各類公路、鐵路隧道工程中得到廣泛運(yùn)用。與常規(guī)分離式隧道相比，小凈距隧道先行洞和后行洞之間相互影響較大，尤其在軟弱圍巖等不利條件下，有可能誘發(fā)圍巖失穩(wěn)，甚至支護(hù)破壞等安全問題。

目前，許多學(xué)者通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、試驗研究等方法對小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性開展了深入研究。劉明才[1]針對大斷面小凈距隧道的圍巖荷載模式展開數(shù)值研究，指出后行洞施工對先行洞存在不利影響。Bai et al[2]采用數(shù)值模擬方法，基于正交設(shè)計原理，探究了雙不對稱壓力下淺埋小凈距隧道圍巖壓力的影響因素。龔建伍[3]建立不同跨度小凈距隧道的有限元數(shù)值模型，對隧道施工過程中的力學(xué)特征及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了對比分析。王玨[4]采用數(shù)值分析方法，對淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道開挖過程中圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了深入研究。杜帥[5]依托實際工程，在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上建立了節(jié)理圍巖小凈距隧道數(shù)值模型，研究了該類隧道的施工力學(xué)特性，并對其支護(hù)方法進(jìn)行優(yōu)化。張國華[6]依托大帽山隧道改擴(kuò)建工程，基于長期位移及圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面小凈距隧道施工時圍巖的穩(wěn)定性。夏才初[7]基于福建省鶴上隧道多個項目的監(jiān)測結(jié)果，探討了大斷面小凈距隧道的圍巖變形與支護(hù)受力特點。蔣坤[8]通過分析雙向8車道小凈距公路隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，深入研究了該類隧道的施工力學(xué)特性。孫振宇[9]通過分析多座小凈距隧道圍巖壓力的實測數(shù)據(jù)，建立了小凈距隧道荷載計算模型并對其進(jìn)行了改進(jìn)，以驗證其合理性與適用性。李松濤[10]結(jié)合現(xiàn)場不同施工段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對小凈距公路隧道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Lei[11]基于相似理論，建立典型非對稱荷載條件下的隧道開挖模擬試驗系統(tǒng)，并據(jù)此分析了小凈距淺埋偏壓隧道圍巖的破壞機(jī)理及荷載特性。李磊[12]采用數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，深入研究了小凈距隧道穿越擠壓軟巖地層段的變形特性。劉聰[13]依托實際工程研發(fā)了大型可拼裝式地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)，開展了復(fù)雜地層超大斷面隧道施工過程力學(xué)模型試驗研究。馮義[14]依托實際工程進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗，并結(jié)合數(shù)值模擬，得出了低跨比雙洞8車道的襯砌壓力和洞周位移隨凈距的變化規(guī)律。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文依托平潭綜合實驗區(qū)龍興嶺隧道工程，通過對隧道拱頂沉降、周邊收斂、圍巖壓力等現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，探討多孔小凈距隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道橫斷面設(shè)計

龍興嶺隧道位于福建省平潭綜合實驗區(qū)麒麟大道東段，為5洞小凈距隧道，分別為2個機(jī)動車主洞、2個非機(jī)動車輔洞和一個電力隧洞。該隧道為市政一級公路隧道，主洞樁號為K0+575～K1+075，總長500 m，其橫斷面布置如圖1所示。

單位：m

主洞內(nèi)輪廓采用曲墻三心圓設(shè)計，寬度和高度分別為14.2 m×9.46 m，左右主洞開挖輪廓間的最小距離為5.57 m。主洞初期支護(hù)采用厚度32 cm的C25噴射混凝土+I22b鋼拱架，并輔以系統(tǒng)錨桿和4道鎖腳錨桿，二次襯砌為厚度55 cm的C35模筑防水鋼筋混凝土，臨時斜撐采用厚度20 cm的C25噴射混凝土+I14鋼支撐。

輔洞采用曲墻單心圓內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為7.69 m×6.4 m(寬×高)，左側(cè)(右側(cè))主輔洞開挖輪廓間的最小距離為8.02 m。輔洞初期支護(hù)采用厚度26 cm的C25噴射混凝土+I18鋼拱架，并輔以系統(tǒng)錨桿，二次襯砌為厚度45 cm的C35模筑防水鋼筋混凝土，臨時斜撐采用厚度20 cm的C25混凝土+I14鋼支撐。另有一電力隧道因其開挖面積較小，距離主輔洞相對較遠(yuǎn)(大于16.4 m)，文中不作重點考慮。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

隧址區(qū)地貌屬構(gòu)造、剝蝕形成的殘坡積臺地，隧道從山坡下穿過，地形起伏較大，局部較為平緩。覆蓋層厚度整體較薄，主要由坡、殘積土組成，下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖和燕山早起侵入花崗巖，巖體風(fēng)化層厚度較大，且不均勻風(fēng)化現(xiàn)象顯著[15]。

隧道進(jìn)出口段圍巖均為Ⅴ級，洞身基巖埋深較大，風(fēng)化巖層厚度變化大，洞體圍巖以Ⅳ～Ⅴ級為主。以進(jìn)口段K0+775斷面為例，如圖2所示，由上到下地層依次為坡積粉質(zhì)粘土、殘積粘性土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。該斷面處主洞采用帶雙側(cè)臨時斜撐的上下臺階法開挖，埋深為7.9 m；輔洞采用帶單側(cè)臨時斜撐的上下臺階法開挖，埋深為8.1 m。

單位：m

隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，水量一般，對洞身圍巖及開挖影響較小。隧道開挖至節(jié)理密集帶，正常涌水量約為300 m3/d，易發(fā)生小型涌水，地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

2 隧道施工及測點布置

龍興嶺隧道總體上按照“左、右輔洞—右主洞—左主洞”的順序施工，其中里程K0+775～K0+825范圍(Ⅴ級淺埋段)的施工進(jìn)度見表1。

表1 龍興嶺隧道淺埋段(K0+775 ～ K0+825)施工進(jìn)度展示

2.1 輔洞施工

右輔洞采用帶臨時斜撐的上下臺階法開挖，如圖3所示。施工步序為：1)先施作超前小導(dǎo)管，進(jìn)行左側(cè)中夾巖加固，然后開挖左上臺階①部，施作相應(yīng)的初期支護(hù)及臨時斜撐；2)施作超前小導(dǎo)管后開挖右上臺階②部，并施作初支；3)拆除臨時支撐，開挖下臺階③部，并施作相應(yīng)的初支；4)待圍巖變形穩(wěn)定后施作二襯。

(a)各部施工順序示意

2.2 主洞施工

主洞采用帶雙側(cè)臨時斜撐的上下臺階法開挖，如圖4所示，以右主洞為例。其施工順序如下：1)施作超前小導(dǎo)管，并進(jìn)行左右洞中夾巖加固，然后開挖左上臺階①部，施作初支及臨時斜撐；2)施作超前小導(dǎo)管，并進(jìn)行中夾巖加固，然后開挖右上臺階②部，施作初支及臨時斜撐；3)開挖中上臺階③部，施作錨桿、噴射混凝土；4)拆除臨時斜撐，開挖下臺階④部，并施作初支；5)待圍巖變形穩(wěn)定后施作二襯。

(a)各部施工順序示意

2.3 測點布置

在Ⅴ級和Ⅳ級圍巖段，變形監(jiān)測斷面布設(shè)間距分別為10 m和20 m。左右輔洞各布設(shè)43個變形監(jiān)測斷面，其測點布置示意如圖5所示；左右主洞各布設(shè)40個變形監(jiān)測斷面，其測點布置示意如圖6所示。隧道拱頂下沉量稱為拱頂沉降值，單位時間內(nèi)的拱頂沉降值稱為拱頂沉降速率；輔洞拱頂沉降點布設(shè)在上臺階部，主洞拱頂沉降布設(shè)在上臺階①部、②部和③部。周邊收斂指左右邊墻相對于其最初洞徑的收斂值，輔洞布設(shè)在上臺階部邊墻與部邊墻間，主洞布設(shè)在拆撐前上臺階部、部邊墻與對應(yīng)的臨時斜撐間。

圖5 輔洞變形監(jiān)測點布置示意

另外，在主洞K0+775斷面(Ⅴ級圍巖)處布設(shè)8個振弦式土壓力計，監(jiān)測作用于初支上的圍巖壓力。如圖6所示，在左右主洞的拱頂、拱肩、拱腰及拱腳處鋼拱架外側(cè)焊接壓力盒，將土壓力盒導(dǎo)線引出至安全處，采用頻率儀測得各土壓力盒的頻率值，換算后得到各測點的圍巖壓力(精度為0.001 MPa)。

圖6 主洞圍巖壓力、變形監(jiān)測點布置示意

3 隧道施工圍巖穩(wěn)定性分析

對斷面K0+775的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，探討多孔小凈距隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性。

3.1 輔洞位移分析

以輔洞上臺階部開挖至K0+775斷面為首日，繪制輔洞隧道位移時程曲線如圖7所示，各監(jiān)測點實際監(jiān)測時間約為60 d。由圖7可知，開挖15 d內(nèi)，拱頂沉降變形速率較大，平均速率約為1 mm/d，此時左輔洞沉降累積值為17 mm，約占總沉降量的67%。隨后拱頂沉降速率逐漸降低，累積沉降值緩慢增加，開挖至45 d～50 d，沉降開始趨于穩(wěn)定。當(dāng)監(jiān)測天數(shù)為60 d時，輔洞拱頂沉降已基本穩(wěn)定，左輔洞拱頂沉降穩(wěn)定值為25 mm。與拱頂沉降位移變化規(guī)律相似，開挖初期掌子面距離監(jiān)測斷面較近，圍巖受力尚不穩(wěn)定，周邊收斂急劇增大，隨著掌子面的掘進(jìn)，監(jiān)測斷面所受擾動減小，受力逐漸穩(wěn)定，周邊收斂變化值變小，直至穩(wěn)定收斂，左輔洞的周邊收斂穩(wěn)定值為14 mm。

(a)左輔洞

同樣，右輔洞掘進(jìn)過程中的位移也經(jīng)歷了“急劇增大—緩慢增大—穩(wěn)定收斂”3個階段，其拱頂沉降穩(wěn)定值和周邊收斂穩(wěn)定值分別為30 mm和18 mm。

3.2 主洞位移分析

以主洞上臺階①部開挖至K0+775斷面為首日，繪制主洞隧道位移時程曲線如圖8所示，各監(jiān)測點實際監(jiān)測時間約為90 d。需要說明的是，由于先行開挖的第①部分拆除臨時斜撐，同時要施作下臺階，故監(jiān)測時長不足90 d。

(a)左主洞

相較輔洞，主洞實際開挖更為復(fù)雜，受到擾動因素更多，且因現(xiàn)場實際開挖并非連續(xù)，使得拱頂沉降具有明顯的“時間效應(yīng)”。在主洞①～③部分實際開挖60 d內(nèi)，拱頂沉降變形速率較大，此時右主洞①、②、③部分沉降累積值分別為87 mm、84 mm、92 mm，平均速率約為1.5 mm/d，平均約占總沉降量的92%；左主洞①、②、③部分沉降累積值分別為52 mm、40 mm、60 mm，平均速率約為1 mm/d，平均約占總沉降量的77%。當(dāng)各部實際開挖60 d～80 d時，拱頂沉降速率減緩，90 d后趨于穩(wěn)定。右主洞①、②、③部分拱頂沉降穩(wěn)定值分別為94 mm、98 mm、94 mm，左主洞①、②、③部分拱頂沉降穩(wěn)定值分別為64 mm、74 mm、58 mm，左右主洞第②部分周邊收斂穩(wěn)定值分別為19 mm和21 mm。

主輔洞施工均經(jīng)歷“急劇增大—緩慢增大—穩(wěn)定收斂”3個階段。右主洞相對于左主洞為先行洞，先行洞受到后行洞施工擾動較大，因此右主洞的變化速率及位移值均大于后行洞左主洞。主洞洞徑大于輔洞，且主洞位于整個工程內(nèi)部，因此不論是拱頂沉降或周邊收斂，其值均大于輔洞。從圍巖變形的量值與速率上看，多孔小凈距隧道施工過程中圍巖是穩(wěn)定的，這也佐證了帶臨時斜撐的上下臺階工法是適宜的。

3.3 圍巖壓力分析

為了解主洞圍巖與初期支護(hù)間圍巖壓力大小及其分布規(guī)律，主洞第①部分開挖至K0+775斷面為首日，平均每隔半個月對監(jiān)測斷面進(jìn)行一次監(jiān)測，并繪制初支應(yīng)力時程曲線，如圖9所示。隧道開挖初期，圍巖壓力逐漸釋放，作用至初支上，各測點的圍巖壓力隨時間變化而增大。隨著掌子面推進(jìn)，洞周應(yīng)力進(jìn)行重分布，其增長速率隨時間呈先增大后穩(wěn)定收斂的變化趨勢，后續(xù)開挖施工使得局部圍巖支護(hù)接觸松動或擠壓，導(dǎo)致圍巖壓力穩(wěn)定后產(chǎn)生微小波動。

(a)左主洞

繪制現(xiàn)場監(jiān)測所得圍巖壓力的歷程最大值分布及最終穩(wěn)定值分布，如圖10、圖11所示。圍巖壓力的最大值出現(xiàn)在邊墻處，其次是拱頂、拱肩、拱腳及仰拱處。右主洞的左拱肩及左邊墻的圍巖壓力值大于右拱肩及右邊墻，同時左主洞的右拱肩及右邊墻的圍巖壓力值大于左拱肩及左邊墻，說明先行開挖部圍巖壓力先行受到擾動，初支所承受的圍巖壓力較大。兩隧道內(nèi)側(cè)(中夾巖側(cè))圍巖壓力整體大于外側(cè)(輔洞相鄰側(cè))圍巖壓力，均呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)略微偏壓的現(xiàn)象。

(a)左主洞

(a)左主洞

對比左右主洞，先行右主洞整體圍巖壓力大于后行左主洞，尤其是邊墻處差異較大，體現(xiàn)了小凈距隧道之間互相影響，即后行洞的施工開挖使得先行洞的圍巖與初支之間的應(yīng)力相互調(diào)整，先行洞的圍巖壓力大于后行洞的圍巖壓力。

4 結(jié)論

1)隨著掌子面的掘進(jìn)，圍巖位移歷經(jīng)“急劇增大—緩慢增大—穩(wěn)定收斂”3個動態(tài)變化階段。其中輔洞在監(jiān)測60 d趨于穩(wěn)定，左、右輔洞拱頂沉降穩(wěn)定值分別為25 mm、30 mm，周邊收斂穩(wěn)定值分別為14 mm、18 mm；主洞在監(jiān)測80 d后趨于穩(wěn)定，右主洞左、中、上臺階沉降穩(wěn)定值分別為94 mm、98 mm、94 mm，左主洞分別為64 mm、74 mm、58 mm，左右主洞周邊收斂值分別為19 mm和21 mm。

2)右主洞相對左主洞為先行洞，其拱頂沉降、周邊收斂最終值及變化速率均大于左主洞，證明小凈距隧道后行洞開挖對先行洞的圍巖變形及整體穩(wěn)定性有較大影響，施工中應(yīng)及時關(guān)注先行洞的施工安全及圍巖和初支變化。

3)小凈距隧道圍巖壓力呈先增大后穩(wěn)定的變化趨勢。平穩(wěn)收斂后其最大值位于主洞邊墻(中夾巖側(cè))處，其次是拱頂處，且先行開挖的內(nèi)側(cè)圍巖壓力大于外側(cè)，呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)略微偏壓的現(xiàn)象。

4)綜合圍巖變形和圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果來看，多孔小凈距隧道施工過程中圍巖是穩(wěn)定的，帶臨時斜撐的上下臺階工法是適宜的。