隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的壓力監(jiān)測(cè)分析

李海光

（金華市公路管理局，浙江 金華 321013）

隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的壓力監(jiān)測(cè)分析

李海光

（金華市公路管理局，浙江 金華 321013）

為了研究既有公路隧道擴(kuò)挖時(shí)圍巖與初期支護(hù)間的相互作用規(guī)律，在隧道改造工程測(cè)試斷面中，對(duì)隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明：隨著隧道擴(kuò)挖掌子面往前推移，圍巖與初期支護(hù)間的土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩(wěn)定；隧道Ⅳ級(jí)圍巖段的圍巖壓力總體上大于隧道Ⅲ級(jí)圍巖段的圍巖壓力。

隧道擴(kuò)挖；圍巖；初期支護(hù)；壓力

0 引 言

農(nóng)村公路因早年建設(shè)資金短缺、車流量小、交通組織簡(jiǎn)單，導(dǎo)致一些斷面尺寸小、支護(hù)措施簡(jiǎn)單（或無(wú)支護(hù)）的公路隧道出現(xiàn)滲漏水、掉塊、支護(hù)開裂等病害，給交通運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)了隱患。為確保人民群眾的安全出行，急需對(duì)此類既有農(nóng)村公路隧道進(jìn)行改造。

隧道改造時(shí)，隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)的相互作用，常常成為控制工程投資、工期和施工安全的重要因素；因此，研究隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的相互作用，對(duì)于指導(dǎo)既有隧道施工、提高工程質(zhì)量、確保施工安全、降低工程費(fèi)用等具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

1 工程概況

某隧道位于農(nóng)村公路，隧道全長(zhǎng)402m，起止里程為K6＋958～K7＋360。原有隧道大部分為無(wú)支護(hù)的毛洞，局部段采用漿砌塊石襯砌支護(hù)，支護(hù)段總長(zhǎng)約25m。隧道洞身實(shí)際限界凈高度約4m，實(shí)際寬度約4.2m，車輛交匯困難。修建時(shí)受各方面條件限制，隧道開挖斷面不規(guī)則，且大都無(wú)襯砌支護(hù)，存在嚴(yán)重漏水、掉塊甚至局部塌方等病害。根據(jù)公路隧道現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，為保障交通安全、提高通行能力，需對(duì)隧道進(jìn)行改造。按四級(jí)公路單洞隧道雙向通行設(shè)計(jì)；隧道全長(zhǎng)按直線布置，設(shè)計(jì)縱坡坡度3%，車速20km·h－1。隧道凈寬7.0m，行車道凈空高度4.5m，隧道斷面凈空面積42.03m2。主要采用復(fù)合襯砌支護(hù)，局部段采用單層襯砌。通過擴(kuò)挖方式增加原有斷面的凈空至設(shè)計(jì)要求值，在此基礎(chǔ)上施做初期襯砌、防排水層及二次襯砌等，拆除原有洞門，施做新斷面明洞和洞門、管線溝槽及路面結(jié)構(gòu)層［2－5］。隧道擴(kuò)挖前后斷面輪廓對(duì)比如圖1所示。

圖1 隧道擴(kuò)挖前后斷面輪廓對(duì)比

2 隧道擴(kuò)挖方案

由于該隧道已開挖運(yùn)營(yíng)20多年，存在嚴(yán)重漏水、時(shí)有掉塊甚至局部塌方等病害，為確保施工安全，采用全封閉施工。該隧道既有斷面平均面積為20.5m2，改造設(shè)計(jì)開挖斷面平均面積為56.8m2，斷面擴(kuò)挖平均面積為36.3m2。對(duì)既有斷面與擴(kuò)挖后斷面進(jìn)行對(duì)比分析，施工主要為環(huán)形擴(kuò)挖，兩側(cè)的開挖量大于拱頂開挖量?？紤]到隧道圍巖相對(duì)較好，隧道擴(kuò)挖施工方案借鑒新修隧道的施工方案，采用光面爆破技術(shù)。

綜合既有隧道建設(shè)年代較久遠(yuǎn)、圍巖依時(shí)變形、環(huán)形擴(kuò)挖存在對(duì)稱結(jié)構(gòu)和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)等特性，在隧道開挖光面爆破過程中，需要掌握圍巖結(jié)構(gòu)特性，觀察掌子面圍巖情況，控制隧道的超欠挖，保證開挖輪廓線的圓順。針對(duì)該隧道的實(shí)際情況擴(kuò)挖，嚴(yán)格控制周邊炮眼單孔裝藥量，控制周邊眼炮布置和不對(duì)稱環(huán)形結(jié)構(gòu)的爆破周邊眼，控制炮眼單孔深度、位置、方位、布置方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)變化調(diào)整光面爆破參數(shù)，確保光面爆破的整體效果。

3 擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的壓力監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)目的

（1）監(jiān)測(cè)隧道擴(kuò)挖時(shí)圍巖與初期支護(hù)間的壓力變化規(guī)律，了解初期支護(hù)對(duì)圍巖的支護(hù)效果，掌握圍巖－初期支護(hù)體系的工作動(dòng)態(tài)，利用測(cè)試結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。

（2）對(duì)比擴(kuò)挖隧道不同地質(zhì)類型條件下圍巖與初期支護(hù)間壓力的大小，判別結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）分析擴(kuò)挖隧道的圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，為擴(kuò)挖隧道設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

選擇測(cè)試斷面的位置，沿隧道周邊在圍巖與初期支護(hù)之間埋設(shè)壓力盒，每個(gè)斷面在邊墻、拱肩及拱頂部位共設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

在里程號(hào) K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137附近布置4個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)斷面。壓力盒埋設(shè)要求接觸面緊密牢固，不得損壞壓力盒及引線。為保證接觸良好，巖體與土壓力計(jì)之間墊一層土工布，然后通過膨脹螺栓將其固定。圍巖與初期支護(hù)間的壓力盒應(yīng)在距開挖面1～3m范圍內(nèi)安設(shè)，并在工作面開挖后24h內(nèi)或下次開挖前測(cè)取初讀數(shù)據(jù)。在測(cè)量過程中應(yīng)及時(shí)處理數(shù)據(jù)，繪制接觸壓力－時(shí)間曲線散點(diǎn)圖和接觸壓力－與開挖面距離曲線散點(diǎn)圖，預(yù)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的接觸壓力值，判定其安全狀態(tài)。

3.4 監(jiān)測(cè)頻率

當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面與開挖面的距離s＜15m時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率為每天1次；當(dāng)15m＜s＜40m時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率為每2天1次；當(dāng)s＞40m時(shí)，監(jiān)測(cè)頻率為每周1次。當(dāng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)，查明原因，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

3.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

在斷面K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137處分別埋設(shè)測(cè)試儀器，其掌子面與測(cè)試斷面間的距離變化分別如表1～4所示。圖2～5分別為斷面K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137處圍巖與初期支護(hù)間土壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

表1 K7＋075斷面測(cè)量日期和掌子面距離對(duì)照

表2 K7＋091斷面測(cè)量日期和掌子面距離對(duì)照

表3 K7＋112斷面測(cè)量日期和掌子面距離對(duì)照

表4 K7＋137斷面測(cè)量日期和掌子面距離對(duì)照

從圖2～5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的推移（即隨著掌子面往前推移），圍巖與初期支護(hù)間土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩(wěn)定。在掌子面距離測(cè)試斷面小于30m時(shí)，土壓力增長(zhǎng)迅速；超過30m后土壓力增長(zhǎng)變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 K7＋137斷面圍巖與初襯間土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)試斷面K7＋075和K7＋091位于隧道Ⅳ級(jí)圍巖段，K7＋112和K7＋137斷面位于隧道Ⅲ級(jí)圍巖段，從圖3～6中可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，斷面K7＋075和K7＋091處的土壓力總體上大于K7＋112和K7＋137斷面處的土壓力，這與圍巖分類的情況相吻合。Ⅳ類圍巖段拱頂位置的圍巖壓力在10～20kPa左右，拱肩位置的圍巖壓力在40～50kPa左右，邊墻處的圍巖壓力變化較大，最大達(dá)到60kPa，最小只有15kPa；而Ⅲ類圍巖段拱頂位置的圍巖壓力在20～35kPa左右變化，拱肩位置的圍巖壓力在20kPa左右，邊墻處的圍巖壓力變化也較大，最大達(dá)到80kPa，最小只有2kPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依托農(nóng)村公路隧道擴(kuò)建工程實(shí)例，對(duì)既有隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間壓力的分布規(guī)律作了監(jiān)測(cè)分析和初步探討。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：隨著隧道擴(kuò)挖掌子面往前推移，圍巖與初期支護(hù)間的土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩(wěn)定；Ⅳ級(jí)圍巖段的圍巖壓力總體上大于隧道Ⅲ級(jí)圍巖段的圍巖壓力。本文得出的隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間壓力的分布規(guī)律，可為同類隧道擴(kuò)挖確定合理的支護(hù)參數(shù)提供參考，對(duì)于指導(dǎo)既有公路小斷面隧道施工、提高工程質(zhì)量、確保施工安全、降低工程造價(jià)等均具有重要的意義。

［1］李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道擴(kuò)挖及改建技術(shù)探討［J］.隧道建設(shè)，2011（8）：358－364.

［2］譚儀忠，劉元雪，周結(jié)中.隧道擴(kuò)建合理開挖步序的研究［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（9）：8－16.

［3］劉明輝，殷愛國(guó)，郭 偉.既有隧道擴(kuò)挖改造的施工控制及數(shù)值模擬研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（11）：98－103.

［4］李 健，譚忠盛.大斷面黃土隧道初期支護(hù)與圍巖相互作用機(jī)理研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013（6）：79－86.

［5］余永強(qiáng)，熊芳斌，李華茂.廈門翔安海底隧道開挖圍巖應(yīng)力與位移監(jiān)測(cè)分析［J］.施工技術(shù)，2010（1）：36－37.

Monitoring and Analysis of Pressure Between Surrounding Rocks and Preliminary Support During Tunnel Expansion

LI Hai－guang
（Highway Administration Bureau of Jinhua City，Jinhua 321013，Zhejiang，China）

In order to study the interaction between surrounding rocks and preliminary support during tunnel expansion，the pressure was monitored on test section of the tunnel project and analyzed thoroughly later.The result shows that following the moving forward of tunnel face，the soil pressure between surrounding rocks and preliminary support gradually increases and turns stable，and the pressure on rocks in gradeⅣis generally higher than that in gradeⅢ.

tunnel expansion；surrounding rock；preliminary support；pressure

U451.1

B

1000－033X（2015）08－0070－03

2014－12－21

［責(zé)任編輯：王玉玲］