超大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要 為了更好地了解圍巖荷載、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力的時(shí)空演化規(guī)律，并為隧道施工提供支持，文章以大鵬超大斷面隧道為例，首先通過設(shè)計(jì)和實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)大鵬超大斷面隧道施工過程力學(xué)進(jìn)行了研究；然后結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，分析了采用半步CD法施工超大斷面隧道時(shí)，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況；最后根據(jù)研究掌握的隧道圍巖荷載、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力的時(shí)空變化規(guī)律，針對(duì)地提出了具體的施工措施，為隧道施工提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞 超大斷面隧道；圍巖荷載；支護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0117-03

0 引言

超大斷面隧道施工面臨著諸多難題，在施工過程中不僅需要對(duì)地形地貌、水文條件有清晰的認(rèn)識(shí)，還需要做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取科學(xué)的施工措施。以下該文將結(jié)合具體工程案例就超大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

1 工程概況

1.1 地形地貌與水文條件

擬建的大鵬隧道位于深圳市大鵬新區(qū)，將穿越大鵬自然保護(hù)預(yù)留實(shí)驗(yàn)區(qū)通道。隧道進(jìn)口位于鹽壩高速南側(cè)山體，出口位于迎賓北路荷塘月色公園附近的王母河西側(cè)，路線穿越求水嶺山脊線。隧道走向134°～155°，設(shè)置為左右洞分離式，左洞起訖樁號(hào)為ZK90+782～ZK94+048，長3 266 m，右洞起訖樁號(hào)為K90+797～K94+059，長3 262 m，屬特長隧道，最大埋深約442.041 m（ZK92+680處）。

1.2 區(qū)域地質(zhì)情況

擬建的大鵬隧道將穿越求水嶺山，該工程地處剝蝕的低山地貌區(qū)，全線的最大在529 m，而最小高程接近72 m，相差457 m左右。隧址區(qū)整體地勢(shì)呈“上急下緩”的趨勢(shì)，其低處天然斜坡多為30°～40°，而中高處多為40°～60°，部分地段為巖石陡坎，具有良好的土壤保護(hù)功能。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）和大鵬隧道工程的實(shí)際工程需要，研究圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，制定了測(cè)試斷面的圍巖壓力、鋼拱架內(nèi)力和荷載、錨桿軸力等參數(shù)。

2.2 監(jiān)測(cè)元件的選擇

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，選擇振弦式傳感器作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)元件。首先，振弦式傳感器具備卓越的穩(wěn)定性，能夠持續(xù)輸出高精度的頻率信號(hào)。其次，該傳感器的抗干擾特性非常強(qiáng)大。再者，振弦式傳感器對(duì)傳輸信號(hào)電纜的要求相對(duì)較低。最后則是振弦式傳感器能夠在較為惡劣的環(huán)境中使用。

振弦式系列傳感器通用計(jì)算公式如下：

式中：P——被測(cè)量的物理量；K——監(jiān)控單元的敏感因子；fi——實(shí)測(cè)的頻率（Hz）；f0——最初監(jiān)控頻率的數(shù)值（Hz）。

選取TRC-TY-03B振動(dòng)弦壓力計(jì)、TRC-BB-02B振動(dòng)弦應(yīng)變計(jì)、TRC-GJ04A鋼卷尺，測(cè)量初支-圍巖壓力、鋼拱架內(nèi)力和荷載等。

2.3 監(jiān)測(cè)元件的布設(shè)

選擇K90+443.7為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行野外觀測(cè)。在左隧道的拱背、拱肩、拱腰、拱腳等處布置監(jiān)控單元。

2.4 監(jiān)測(cè)元件的埋設(shè)

當(dāng)初支支撐的鋼拱架安裝完畢，并焊好鋼筋網(wǎng)后，就可以進(jìn)行原位測(cè)試和監(jiān)控元素的植入。

2.5 數(shù)據(jù)采集

第一次噴射混凝土結(jié)束后，于次日進(jìn)行量測(cè)。使用609讀出單元的頻率，得到的頻率就是Fi，然后按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，對(duì)其進(jìn)行頻率分析。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 圍巖荷載分析

3.1.1 圍巖荷載隨時(shí)間的釋放規(guī)律

2018年1月4日為起始時(shí)間，在開挖至觀測(cè)段后的0～10 d，拱肩、拱腰及拱頂?shù)挠^測(cè)值發(fā)生了明顯變化，這是由于觀測(cè)段位于破碎的基巖區(qū)域，容易被工程活動(dòng)干擾，所以處在一個(gè)非常重要的施工風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期。鉆孔爆破開挖后，巖體由原有的穩(wěn)定性變得疏松、破裂，且由于臨空面的存在，使得巖體不再具有定向的約束性，從而導(dǎo)致巖體從三向約束轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫婕s束。第60～78 d，左側(cè)隧道靠近監(jiān)控區(qū)，因其具有良好的整體性及良好的層間黏結(jié)性，在超前干擾的作用下，左側(cè)隧道及隧道頂部圍巖-支護(hù)壓力呈小幅的上升或下降趨勢(shì)。第100～130 d，右側(cè)隧道主、后兩道隧道先后開挖至監(jiān)控段，受隧道施工干擾，圍巖-支護(hù)壓力發(fā)生再分配，左拱腳、左拱腰、左拱肩和拱頂段都呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)，同時(shí)，由于隧道施工對(duì)圍巖的影響，圍巖的受力狀況發(fā)生改變。第130～190 d，由于左側(cè)隧道開挖面與監(jiān)控段距離越來越遠(yuǎn)，開挖范圍也逐步深入基巖體的整體范圍內(nèi)，除左隧道左側(cè)拱腳出現(xiàn)明顯的應(yīng)力波動(dòng)外，其他各測(cè)點(diǎn)的圍巖-支護(hù)壓力都趨于平穩(wěn)。

與之相比，左拱腳區(qū)圍巖-支護(hù)壓力的波動(dòng)更大，呈現(xiàn)出由低到高的發(fā)展態(tài)勢(shì)，其主要原因在于在該區(qū)域內(nèi)存在一條塹壕，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的巷道左側(cè)產(chǎn)生偏壓。同時(shí)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，也發(fā)現(xiàn)該區(qū)域發(fā)生了微小位移，需要繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以避免該區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大導(dǎo)致的破壞。

3.1.2 圍巖荷載在空間的分布規(guī)律

為了揭示圍巖-初支結(jié)構(gòu)受力在整個(gè)工程過程中的空間分配，以線段長代表應(yīng)力的幅值，以圍巖-初支結(jié)構(gòu)受力在左洞K90+443.7斷面上的空間分布為例（如圖1所示），對(duì)其進(jìn)行三維的有限元分析。從圖1中可以看出，由于隧洞開挖產(chǎn)生了一個(gè)松動(dòng)的空間，使得隧洞上部的圍巖受到很大壓力，從而導(dǎo)致拱頂周圍的應(yīng)力集中[1]?？傮w來看，圍巖荷載的空間分配模式如下：拱頂圍巖荷載最大，相對(duì)穩(wěn)定；中部圍巖荷載比右邊圍巖荷載高，且呈現(xiàn)非均勻性。

3.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律

為了研究超大斷面在隧道施工期間初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化模式[2]，采用表面應(yīng)變計(jì)對(duì)大鵬隧道K90+443.7斷面上的鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，具體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示：

從圖2的解析可以看出，在施工過程中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況可以分為四個(gè)時(shí)期，即開挖至觀測(cè)段后的0～15 d，拱肩、拱腰及拱頂各部位的觀測(cè)資料發(fā)生了不同程度的改變，即從原來的均衡發(fā)展為受壓狀態(tài)，尤其是右側(cè)拱腰的增幅最大，在0～15年間增加了53.95 MPa。這一轉(zhuǎn)變的根本原因在于開挖面靠近監(jiān)控段，且反復(fù)的爆炸干擾導(dǎo)致巖體在自重的作用下，對(duì)支撐體施加了荷載。第二期（16～57 d），左側(cè)隧道初期支護(hù)構(gòu)造的觀測(cè)值未發(fā)生明顯變化，此時(shí)開挖面與監(jiān)控段距離較遠(yuǎn)，且圍巖在自身與支護(hù)的雙重效應(yīng)下恢復(fù)了穩(wěn)定性。第三期（58～87 d），左側(cè)隧道的左側(cè)導(dǎo)坑、右側(cè)導(dǎo)坑先后開挖至監(jiān)控段，由于施工造成上部導(dǎo)坑的鋼拱架懸浮，拱頂部與左側(cè)拱肩從受拉型向受壓型轉(zhuǎn)變，當(dāng)左側(cè)導(dǎo)坑接近監(jiān)控段時(shí)，左側(cè)拱腰區(qū)域的壓力先降低而后逐步增加，表明該地質(zhì)情況下，隧道的超前影響范圍為12 m。第四期（88～108 d），頂板應(yīng)力在此期間持續(xù)增加，直至超出設(shè)計(jì)要求造成構(gòu)件破壞，究其原因是頂板巖層相對(duì)松散、埋藏較淺，不能迅速成形。

3.2.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)诳臻g的分布規(guī)律

該文給出了K90+443.7段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的時(shí)空變化規(guī)律。從圖3中可以看出，拱頂初始承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變幅顯著高于其他測(cè)點(diǎn)，符合周圍荷載的變化，且在120～180 d內(nèi)，因受力損傷的單元情況用虛線標(biāo)出。左拱肩初承結(jié)構(gòu)的受力隨圍巖載荷的改變而改變[3]，當(dāng)圍巖荷載為負(fù)數(shù)時(shí)，初支結(jié)構(gòu)為拉伸；而圍巖荷載為正數(shù)時(shí)，初支結(jié)構(gòu)為承壓。由此可以得出，在巷道中部，軸向上的力對(duì)初支結(jié)構(gòu)造成壓應(yīng)力，從而影響初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在90～180 d，初期支撐的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的“M”形，通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特性的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在空間布局上，拱頂區(qū)域是初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力最為集中的位置[4-5]。沿著中線向左側(cè)進(jìn)行衍生，初支結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出左拱腳、左拱腰、左拱肩依次減小的趨勢(shì)。但是，當(dāng)觀察中線右側(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分布出現(xiàn)了一定變化，具體表現(xiàn)為右拱腰應(yīng)力最大，緊接著是右拱肩，而右拱腳應(yīng)力相對(duì)較小。

4 結(jié)論

（1）在掌子面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面的最初0～10日內(nèi)，隧道施工面臨較高的風(fēng)險(xiǎn)。在該階段內(nèi)，圍巖荷載、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力及錨桿軸力都出現(xiàn)了較大波動(dòng)，這表明鉆爆法施工對(duì)掌子面周圍巖石的穩(wěn)定性的影響非常劇烈。因此，務(wù)必強(qiáng)化這段時(shí)間的落石預(yù)警與坍塌風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)密排查工作。

（2）通過空間分布圖可以直觀地觀察到圍巖荷載的分布特征：拱頂處的圍巖荷載最大且相對(duì)穩(wěn)定，中線靠近左側(cè)圍巖的荷載超過右側(cè)，顯示出明顯的偏壓現(xiàn)象，因此需要對(duì)左側(cè)隧道壁進(jìn)行更密集的監(jiān)測(cè)和量測(cè)。

（3）在監(jiān)測(cè)的第90～180 d期間，初支結(jié)構(gòu)主要處于受壓狀態(tài)，其應(yīng)力的空間分布呈現(xiàn)出不規(guī)則的“M”形，頂部應(yīng)力最高且左右分布不對(duì)稱。

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