既有隧道間新建小凈距大斷面四車道隧道動(dòng)態(tài)施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

■蘇 濤

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

1 引言

隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的快速發(fā)展，大跨徑、小凈距隧道在山區(qū)高等級(jí)公路中被廣泛應(yīng)用。在中短隧道建設(shè)類型的選擇上，小凈距隧道經(jīng)常被采用。目前多車道大斷面公路隧道建設(shè)的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)均相對(duì)不足，需要在實(shí)踐中不斷摸索，提高設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。特別是在運(yùn)營(yíng)兩隧道之間新建一座四車道隧道，并將右洞擴(kuò)建為四車道，形成了大斷面小間距隧道群，此種情況在國(guó)內(nèi)尚屬首次，本文所涉及的泉廈高速公路擴(kuò)建工程大帽山隧道的施工，因?yàn)槠渲匾?、特殊性以及可借鑒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和資料較少的特性而受到廣泛關(guān)注。下主要介紹了該隧道新建左線施工階段的監(jiān)控量測(cè)工作。

2 項(xiàng)目概況

2.1 隧道概況

大帽山隧道為泉廈高速公路擴(kuò)建隧道其中一座，隧道左右線均位于線路直線段上，左、右線長(zhǎng)度均為600m。

擴(kuò)建方案為在原兩洞之間新建一座四車道隧道，并將右洞擴(kuò)建為四車道，形成了大斷面小凈距隧道群，從左至右有：原左洞兩車道隧道，新建四車道隧道和擴(kuò)建四車道隧道。兩車道左線隧道與新建四車道隧道的行車道中線間距為23.53m，新建與擴(kuò)建四車道隧道的行車道中線間距為29.61m。新建隧道洞口段左右側(cè)壁距既有隧道側(cè)壁分別只有5.89m 和8.83m，從小凈距隧道分類[2]可以判斷為嚴(yán)重影響穩(wěn)定的超小凈距隧道，其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 大帽山隧道洞室位置關(guān)系圖 （單位：m）

2.2 施工情況

大帽山隧道最大毛洞開(kāi)挖跨度為21.67m，結(jié)構(gòu)按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合襯砌。V 級(jí)圍巖地段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖；Ⅳ級(jí)圍巖地段，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖；Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段，采用上下臺(tái)階法法開(kāi)挖。新建隧道和既有隧道間距較近，爆破作業(yè)對(duì)相鄰隧道的穩(wěn)定性有較大影響，開(kāi)挖采用微震爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)對(duì)隧道圍巖和相鄰隧道的影響。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面內(nèi)的上下臺(tái)階長(zhǎng)度不得大于5m，左、右導(dǎo)坑錯(cuò)開(kāi)8～10m。開(kāi)挖順序如圖2 所示。

圖2 大帽山隧道左線進(jìn)口雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工簡(jiǎn)圖

3 監(jiān)控方案

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

大帽山隧道監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 042—94）以及福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院《福建省泉州至廈門(mén)高速公路擴(kuò)建工程A8 標(biāo)大帽山隧道兩階段施工設(shè)計(jì)》中有關(guān)監(jiān)控量測(cè)說(shuō)明。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：周邊收斂位移、拱頂下沉、地表仰坡位移、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、系統(tǒng)錨桿軸力、圍巖內(nèi)部位移、圍巖壓力及初砌內(nèi)力、支護(hù)內(nèi)力、爆破震動(dòng)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[3、4、5]。限于篇幅，本文著重討論隧道圍巖變形量測(cè)的收斂和拱頂下沉的施工監(jiān)測(cè)情況。具體測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工一般監(jiān)測(cè)斷面布置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化分析如下：大帽山隧道左線進(jìn)口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，最大開(kāi)挖高度14.41m，最大開(kāi)挖寬度21.67m；側(cè)導(dǎo)坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖高度達(dá)12.90m，寬度達(dá)8.25m，與一般單洞雙車道隧道全斷面開(kāi)挖面積接近，且因?yàn)樗淼纻?cè)導(dǎo)坑高跨比較大，受力條件較為惡劣，左右導(dǎo)坑先行開(kāi)挖，預(yù)留核心土，導(dǎo)坑開(kāi)挖采用交替爆破掘進(jìn)，這樣對(duì)核心土及初支形成多次擾動(dòng)，所以對(duì)導(dǎo)坑的支護(hù)變形監(jiān)測(cè)尤為重要。對(duì)于大跨徑隧道來(lái)講，相關(guān)資料表明[6]，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)測(cè)值的變化對(duì)于把握圍巖動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是相當(dāng)重要的，故在側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)進(jìn)行拱頂下沉監(jiān)測(cè)。

4 監(jiān)測(cè)實(shí)例應(yīng)用分析

4.1 地表仰坡沉降

地表沉降測(cè)點(diǎn)距洞口16m，埋深不足10m(見(jiàn)圖4)。掌子面開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面5m 前，各測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生沉降量較??；掌子面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面后；隧道輪廓范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)沉降量明顯增大，下沉歷時(shí)約70d 后趨于穩(wěn)定。由圖5、6 可見(jiàn)隧道軸線位置附近沉降明顯，兩側(cè)逐漸減小，大致呈漏斗狀，沉降影響范圍沒(méi)有到3 倍洞徑；基本是從洞底邊線作45°角延伸到地面這一范圍。由于右導(dǎo)先行開(kāi)挖，所以靠近右導(dǎo)范圍洞頂下沉量大于后開(kāi)挖的左導(dǎo)坑，變形趨勢(shì)與圍巖應(yīng)力釋放吻合。

圖4 大帽山隧道出口地表下沉測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由地表沉降時(shí)程曲線可知，地表沉降大致經(jīng)歷三個(gè)階段：

⑴當(dāng)右側(cè)壁上臺(tái)階推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面前10m 時(shí)，地表沉降速率開(kāi)始增大，當(dāng)掌子面推過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，沉降幾乎呈直線增加，沉降量約為總沉降量的20%。

⑵當(dāng)左導(dǎo)坑上臺(tái)階掌子面推進(jìn)到距監(jiān)測(cè)斷面前約5m 時(shí)，地表沉降量再次增大并一直持續(xù)到通過(guò)該斷面，沉降幾乎呈線性增加，沉降量約為總沉降量的60%。

（3）當(dāng)下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖通過(guò)地表下沉斷面時(shí)，下沉速率再一次增大，仰拱封閉成環(huán)后7d，下沉速率便逐漸減小，日趨穩(wěn)定。此時(shí)沉降量約為總沉降量的20%。

圖5 隧道進(jìn)口地表下沉位移曲線圖

圖6 隧道進(jìn)口地表下沉?xí)r程曲線圖

圖7 隧道出口地表下沉位移曲線圖

圖8 隧道出口地表下沉?xí)r程曲線圖

4.2 凈空收斂

本文選取的典型收斂斷面埋設(shè)時(shí)距右導(dǎo)坑掌子面2m。整個(gè)斷面距掌子面30m 后收斂測(cè)線變化已趨于平穩(wěn)，32d 累計(jì)最大收斂值只有4.55mm，位移曲線見(jiàn)圖9。根據(jù)JTJ042-94《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[6]規(guī)定，在Ⅳ級(jí)淺埋圍巖段，隧道圍巖最終允許相對(duì)變形量為0.15%～0.50%，導(dǎo)坑斷面水平測(cè)線長(zhǎng)7.3 m，實(shí)測(cè)洞周收斂相對(duì)值為0.06%，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。收斂趨勢(shì)23d 后開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 典型斷面收斂移曲線圖

從量測(cè)結(jié)果看，右導(dǎo)坑收斂值大于左導(dǎo)坑，橫向水平收斂值一般都大于斜向收斂值，這與左導(dǎo)距既有隧道側(cè)壁距離（5.89m）小于右導(dǎo)距既有隧道側(cè)壁(8.93m)的事實(shí)是相符的，也和右導(dǎo)超前于左導(dǎo)開(kāi)挖的施工工序是相符的，同時(shí)后行的開(kāi)挖會(huì)對(duì)先開(kāi)挖的圍巖產(chǎn)生一定的影響。距離開(kāi)挖工作面越近收斂曲線波動(dòng)越大，距離開(kāi)挖工作面超過(guò)1.5 倍洞徑的收斂測(cè)線趨于穩(wěn)定。同時(shí)收斂曲線的波動(dòng)性也反映出初始錨噴支護(hù)極易受到局部地質(zhì)條件及掌子面的擾動(dòng)影響。

基于上述分析，并對(duì)本隧道已完成的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表3）后綜合考慮公路隧道斷面、圍巖強(qiáng)度、圍巖級(jí)別、不良地質(zhì)情況等影響因素，本文提出如表4 所示的四車道公路隧道監(jiān)控量測(cè)預(yù)警值。

表3 已完成收斂斷面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 建議洞周收斂預(yù)警值

4.3 拱頂下沉

典型拱頂下沉斷面圍巖抗壓和抗剪強(qiáng)度低，承載力差，屬于V 級(jí)圍巖，埋設(shè)時(shí)距右導(dǎo)坑掌子面3m。右導(dǎo)坑先行開(kāi)挖，位于該導(dǎo)坑內(nèi)的G1 測(cè)點(diǎn)下沉趨勢(shì)明顯，下沉量大于位于左導(dǎo)內(nèi)的G3 和位于拱頂中央的G2 測(cè)點(diǎn)。G1 測(cè)點(diǎn)歷時(shí)179d 后累計(jì)下沉18.07mm，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)初期拱頂下沉增幅較大，隨著掌子面開(kāi)挖遠(yuǎn)離斷面后，下沉歷時(shí)69d 后逐漸減弱趨于穩(wěn)定，下沉趨勢(shì)見(jiàn)圖10。依據(jù)JTJ042-94《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[7]之規(guī)定，隧道圍巖最終允許相對(duì)變形量為0.20%～0.80%，導(dǎo)坑斷面水平測(cè)線長(zhǎng)7.3 m，實(shí)測(cè)拱頂下沉相對(duì)值為0.25%，實(shí)測(cè)下沉量較小。

圖10 典型斷面拱頂下沉移曲線圖

參考《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》（TB10108-2002，J159-2002），（見(jiàn)表5）結(jié)合大帽山隧道的實(shí)際情況采取了III 級(jí)管理制度作為監(jiān)控量測(cè)管理方式。

表5 監(jiān)控管理制度

同時(shí)基于規(guī)范考慮，并且統(tǒng)計(jì)本隧道已完成實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表6）后綜合考慮公路隧道斷面、圍巖強(qiáng)度、圍巖級(jí)別、不良地質(zhì)情況等影響因素，提出了建議的四車道公路隧道監(jiān)控量測(cè)不同圍巖分類預(yù)警值(見(jiàn)表7)。

表6 已完成拱頂下沉斷面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表7 建議拱頂下沉預(yù)警值

控制標(biāo)準(zhǔn)、警戒值及警戒管理模式已在泉廈高速擴(kuò)建沿線隧道施工中實(shí)施，并且取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。大帽山隧道新建左線發(fā)布了Ⅰ級(jí)警戒3 次，Ⅱ級(jí)警戒13 次；及時(shí)有效預(yù)警了施工中的變形過(guò)大問(wèn)題，并采取了相應(yīng)的防范措施，避免了重大施工事故的發(fā)生，有效地保證了施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本文通過(guò)對(duì)泉廈高速擴(kuò)建工程大帽山隧道大量監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)后提出了四車道公路隧道洞周收斂和拱頂下沉預(yù)警值參考值，并在后續(xù)監(jiān)測(cè)工作中應(yīng)用并取得成效，對(duì)類似工程具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

(2)小凈距特大斷面四車道隧道中夾巖厚度較普通分離式隧道小,且采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，核心土和圍巖受到多次開(kāi)挖的擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)的受力較為復(fù)雜，其薄弱環(huán)節(jié)和薄弱部位、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的重點(diǎn)以及量測(cè)項(xiàng)目的基準(zhǔn)值較一般的分離式隧道均有所提高。

(3)該類隧道由于間距小，爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)建議作為必選監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)由于時(shí)空效應(yīng)明顯，要著重注意各環(huán)節(jié)施工對(duì)初支及圍巖的影響，各導(dǎo)洞均應(yīng)布置獨(dú)立成系統(tǒng)的斷面收斂測(cè)點(diǎn)及拱頂下沉測(cè)點(diǎn)，并密切分析與相鄰隧道間的相互影響。

[1]JTG D70—2004）,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，人民交通出版社，2004.

[2]雙洞小凈距隧道設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)研究.西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目.

[3]任國(guó)雷.大跨度隧道側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程數(shù)值模擬[J].西部探礦工程，2005（3）.

[4]曾磊.特大斷面隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007（10）.

[5]李云鵬，韓常領(lǐng).柞小公路隧道爆破震動(dòng)波現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008（10）.

[6]李曉紅.隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù).北京:科學(xué)出版社，2001.

[7]JTJ042-94,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].