山嶺隧道原位擴(kuò)建工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究

毛祚財

(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350003)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)公路交通運(yùn)輸量的大幅增加，部分早年修建的公路隧道已經(jīng)不能滿足日益增長的的交通運(yùn)量需求。與此同時，鑒于當(dāng)時施工技術(shù)和管理水平的限制，造成了既有隧道常存在襯砌背后空洞和不密實(shí)、襯砌材料的劣化和開裂等病害[1]。因此，對現(xiàn)有公路進(jìn)行擴(kuò)建改造是解決問題的關(guān)鍵[2]。

原位隧道擴(kuò)建是指在原有隧道基礎(chǔ)上將隧道斷面擴(kuò)大，從而形成跨度更大的隧道[3]。相對于常規(guī)的隧道開挖而言，原位擴(kuò)建隧道會改變既有隧道的結(jié)構(gòu)形式，不僅打破了既有隧道已經(jīng)形成的應(yīng)力平衡狀態(tài)，而且隧道斷面的擴(kuò)大將增大應(yīng)力集中的程度，對既有隧道擴(kuò)挖后的穩(wěn)定性帶來新的挑戰(zhàn)，同時擴(kuò)建施工也會對既有隧道圍巖位移和力學(xué)特性造成不同程度的改變[4]。

在原位隧道擴(kuò)建工程方面，國內(nèi)外已進(jìn)行了初步的研究，國內(nèi)也已有隧道原位擴(kuò)建的成功案例[5-9]。如：丘禮球[8]等依托福建漳龍高速公路后祠隧道新(擴(kuò))建工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測和三維數(shù)值仿真模型，研究拱頂沉降、洞周收斂、以及隧道開挖和支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律；鐘元慶[4]等依托同一工程,分別對隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、松動圈及應(yīng)力場和鄰近既有隧道爆破振動進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測和研究，從而總結(jié)了三臺階法施工對原位擴(kuò)建隧道結(jié)構(gòu)及鄰近既有隧道擾動的影響規(guī)律；鄭宏利[9]結(jié)合大帽山隧道擴(kuò)建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡明了CD工法開挖時圍巖內(nèi)部周邊收斂的變化趨勢、特點(diǎn)及位移場,相鄰導(dǎo)洞施工時的相互影響,圍巖與支護(hù)間的相互調(diào)整變形機(jī)制。

上述研究為隧道改擴(kuò)建施工提供了基礎(chǔ)參考?？偟膩碚f，目前國內(nèi)外對于隧道擴(kuò)建技術(shù)和理論的研究呈逐步增多的態(tài)勢，但對于擴(kuò)建過程中隧道變形的現(xiàn)場實(shí)測的研究還相對比較少?；?，本文結(jié)合福州馬尾隧道北洞的施工過程和現(xiàn)場監(jiān)測成果，研究分析不同開挖方式和開挖階段中隧道圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化特點(diǎn)，擬為隧道開挖方案和支護(hù)體系的優(yōu)化提供依據(jù)，以期作為類似工程的設(shè)計(jì)和施工參考。

1 工程背景及開挖方式

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，為整體式襯砌結(jié)構(gòu)，建成至今已有28年之久。由于材料老化及當(dāng)時設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平有限等原因，隧道襯砌產(chǎn)生大量裂紋，通過檢測發(fā)現(xiàn)襯砌壁后存在大量空洞。本次改造將對隧道進(jìn)行原位拓寬，把原單洞2車道分別拓寬為單洞4車道+1個人行道。隧道長968.6m，拓寬后凈寬16.07m，拱高9.054m，含仰拱拱高11.44m。

場地地質(zhì)條件為剝蝕殘丘地貌，場地穩(wěn)定性評價為較穩(wěn)定場地。該隧道所處地形起伏較大，最大埋深約126m，洞口段埋深約30m。北洞洞口由外到內(nèi)分別為Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級圍巖，北洞NK17+640.717-NK17+835.0、NK18+500.0-NK18+605.093為Ⅳ級圍巖，其余為Ⅱ級、Ⅲ級圍巖。隧道施工順序如下：①拆除上臺階左側(cè)既有隧道襯砌，開挖上臺階左側(cè)；②上臺階左側(cè)初支施工；③拆除上臺階右側(cè)既有隧道襯砌，開挖上臺階右側(cè)；④施工上臺階右側(cè)初支；⑤開挖下臺階左側(cè)，拆除下臺階左側(cè)既有隧道路面及襯砌；⑥下臺階左側(cè)初支施工⑦開挖下臺階右側(cè)；⑧下臺階右側(cè)初支施工；⑨下臺階預(yù)留核心土層開挖；⑩仰拱開挖；下臺階仰拱初支施工；二襯施工。

施工工序示意如圖1所示。對于Ⅳ級圍巖段，施工過程中NK17+785-NK17+835、NK18+500-NK18+572段上臺階為同時開挖，其他部分上臺階左右側(cè)開挖時間大致相隔約一周。分別在左右開挖段取一典型斷面A，上臺階同時開挖段取一典型斷面B。

圖1 施工工序示意圖

2 圍巖變形監(jiān)測分析

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范的基本要求[10]，結(jié)合隧道原位擴(kuò)建和特大斷面隧道開挖的施工工藝以及地質(zhì)情況，具體包括拱頂沉降、周邊收斂、圍巖體內(nèi)位移、圍巖壓力、噴射混凝土應(yīng)力、鋼支撐內(nèi)力、錨桿軸力、初支與二襯支護(hù)間壓力、模筑二襯應(yīng)力等。

在馬尾隧道施工過程，監(jiān)測小組獲得了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)以隧道進(jìn)出口Ⅳ級圍巖段為例，簡要介紹監(jiān)測成果，并進(jìn)行相關(guān)分析研究。

該項(xiàng)目對隧道拱頂下沉、周邊收斂以及圍巖體內(nèi)位移進(jìn)行了較為密集的監(jiān)測，其中在NK17-692-NK17+835、NK18+500-NK18+572段每10m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，開展隧道圍巖變形實(shí)時監(jiān)測，并獲得了豐富的數(shù)據(jù)。為了分析隧道擴(kuò)挖后圍巖變形隨時間的變化規(guī)律，以及各開挖階段對圍巖變形的影響，選取了Ⅳ級圍巖段中的幾個具有代表性的斷面，并將這些斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成若干相關(guān)曲線圖，以便分析、比較與研究。隧道斷面上各監(jiān)測點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2.1 拱頂下沉

此次隧道開挖工程采用臺階法進(jìn)行施工。以A斷面為例。由施工臺賬可知，該斷面右上臺階于2018年11月20日挖通，左上臺階于5天后即11月25日開挖。而下方左右臺階則分別在一個月后，即同年12月25日和12月18日挖通。工況與拱頂下沉變形示意圖如圖3(a)所示，圖中以下沉為正。B斷面上臺階于12月7號挖通，下方左右臺階則在12月22日前后挖通。工況與拱頂下沉變形示意圖如圖3(b)所示。兩個典型斷面沉降速率如圖4(a)、圖4(b)所示。

(a) A斷面

(a) B斷面圖3 上臺階斷面左右側(cè)同時開挖拱頂下沉-時間圖

(a) A斷面

(a) B斷面圖4 上臺階斷面左右側(cè)同時開挖拱頂沉降速率

不同的施工方案會導(dǎo)致圍巖的力學(xué)特性不同。了解圍巖的應(yīng)力特征有利于確保施工期間圍巖的穩(wěn)定性[11]，故針對兩個典型斷面進(jìn)行對比分析。對比分析表明：

(1)兩個斷面在上臺階開挖前后拱頂下沉速率較大，相較而言在下臺階開挖時拱頂下沉速率則不再大幅波動，變形逐漸趨于平穩(wěn)?？梢娫谒淼涝粩U(kuò)建臺階法施工中，上臺階開挖會引起隧洞較大變形。究其原因，這是由于上臺階開挖通過時會拆除原隧道襯砌，形成了空洞，空洞上方的巖體在自重作用下自然會向下移動，而此時初支和圍巖因沒有充分接觸耦合，沒能充分發(fā)揮支護(hù)的作用，故，位移較大。而下臺階開挖時支護(hù)結(jié)構(gòu)已逐漸成型，原有隧道襯砌拆除后圍巖內(nèi)力調(diào)整已逐漸完成，加之地質(zhì)條件較好，所以變形逐漸趨于平穩(wěn)。故，建議在上部開挖階段應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測，并及時做好支護(hù)措施。

(2)如圖3(a)、圖3(b)所示，A斷面拱頂沉降大致穩(wěn)定在8mm左右，而B斷面拱頂沉降大致穩(wěn)定在14mm左右，A斷面沉降量約為B斷面的57%。由此可見，同一斷面分左右側(cè)開挖可以有效降低隧道拱頂變形量。這主要是因?yàn)榉珠_開挖時，左側(cè)開挖完成后在右側(cè)開挖的同時即可進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，起到了及時支護(hù)防止變形自由發(fā)展的作用。這進(jìn)一步說明了隧道擴(kuò)建工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及時成型的重要性。

(3)左右側(cè)分開開挖(A斷面)過程中出現(xiàn)了不對稱變形的現(xiàn)象，而同時開挖斷面(B斷面)變形則有一定的對稱性，與新建隧道相似。這表明在該隧道擴(kuò)建過程中，既有隧道的存在不是新建隧道變形的主要影響因素。這主要是因?yàn)樵撍淼澜ǔ蛇\(yùn)營時間將近20年，圍巖變形早已穩(wěn)定，某種程度上講其無異于新建隧道的開挖。

2.2 圍巖體內(nèi)位移

圍巖體內(nèi)位移量測的是隧道周邊某點(diǎn)及圍巖內(nèi)部不同深度各點(diǎn)的位移狀態(tài)。在該工程中，圍巖體內(nèi)位移量測所得結(jié)果是量測某一深度圍巖體位置與隧道位置的相對位移，即數(shù)值越大說明所測位置圍巖體內(nèi)位移越小。

為分析隧道開挖后圍巖變形隨時間變化規(guī)律，以及不同開挖方式對圍巖體變形的影響，分別將A、B斷面各位置的圍巖體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成時間累計(jì)位移曲線圖，如圖5(a)、圖5(b)所示。

2.2.1圍巖體內(nèi)位移變化分析

以A斷面為例，分析圖5(a)。圍巖體內(nèi)位移變化趨勢大致呈折線式，即先急劇上升至一定值后便不再增長，趨于平緩。其中拱頂處圍巖體內(nèi)位移值最大，拱腰處次之，邊墻處最小。

圖5(a)上臺階左右側(cè)分開開挖(A斷面)圍巖體內(nèi)位移分析3m處圍巖體內(nèi)位移可知，圖中左右拱腰處出現(xiàn)了明顯的不對稱位移的現(xiàn)象，左拱腰處相對位移小于右拱腰處，表明左拱腰處圍巖體內(nèi)產(chǎn)生的位移更大?？紤]到該工程中既有隧道恰好位于擴(kuò)建隧道左側(cè)以及既有隧道可能存在的病害，分析認(rèn)為既有隧道襯砌的老化、脫空使得此處巖體出現(xiàn)較大變形乃至松動現(xiàn)象，而新開挖的右拱腰處則相對較為穩(wěn)定，從而造成了既有隧道處變形會稍大的現(xiàn)象。

(a) A斷面

(a) B斷面圖5 上臺階左右側(cè)同時開挖圍巖體內(nèi)位移

5m處圍巖體內(nèi)位移則呈對稱狀，如圖6所示，除右拱腰外，其他位置圍巖體內(nèi)位移隨圍巖體深度增大而逐漸收斂，可見5m處圍巖體已較為穩(wěn)定，由此推測隧道擴(kuò)挖對周邊圍巖影響范圍大致至于此。

圖6 左右同時開挖斷面(B斷面)各位置圍巖體內(nèi)最終累計(jì)位移

2.2.2不同開挖方式對周邊圍巖體內(nèi)位移的影響

對比圖5(a)與圖5(b)可發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

(1)A斷面各位置相對位移均大于B斷面，即A斷面中各位置圍巖體內(nèi)位移均比B小，與上文提到的拱頂下沉的變化規(guī)律相符合。這表明在隧道原位擴(kuò)建工程中采用臺階施工時，左右側(cè)分開開挖能有效地控制周邊圍巖體內(nèi)位移。

(2)圖5(a)中各位置均出現(xiàn)了不對稱位移，這是斷面左右側(cè)分開開挖引發(fā)不同位置圍巖體多次擾動所導(dǎo)致。

3 結(jié)論

依托福州馬尾隧道原位擴(kuò)建工程，開展現(xiàn)場動態(tài)實(shí)時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)在隧道原位擴(kuò)建過程，不同的開挖方式會對圍巖變形方式產(chǎn)生不同的影響。其中既有隧道襯砌的拆除會引起隧道圍巖的較大變形，而這也是此類工程中圍巖變形的主要來源。故在此階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，及時預(yù)警。

(2)在隧道原位擴(kuò)建工程臺階法施工中，不同的開挖方式會對圍巖變形方式產(chǎn)生不同的影響，其中上臺階開挖時相對于將斷面分為左右側(cè)進(jìn)行開挖，一次性開挖對巖土體擾動較大，繼而會引發(fā)隧道與圍巖體更大的變形。從變形控制角度看，先進(jìn)行既有隧道上部襯砌的拆除和上部土體開挖，可以有效控制變形增長。