超小間距非對稱淺埋隧道施工監(jiān)控量測及分析

王云龍，譚忠盛，陳 鷹

(1.北京交通大學土木建筑工程系，北京 100044;2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 前言

小間距隧道開挖支護導致兩隧道間巖土體的移動方向不一樣，相互影響作用劇烈，較之標準分離式隧道，其應力重分布更加復雜，多次擾動使得巖石容易發(fā)生失穩(wěn)，因此特別需要研究以找到合理的開挖支護方法和支護措施。在我國，小間距隧道的出現(xiàn)和研究較晚，目前還沒有較明確的規(guī)范，仍處于邊施工邊探討的總結(jié)階段，理論研究滯后于工程建設需求的發(fā)展[1～3]。陳先國等利用有限元分析兩平行近距離隧道施工的力學行為，初步探討了小間距隧道地表和拱頂?shù)南鲁烈?guī)律[4];靳曉光等利用數(shù)值模擬分析了小間距隧道同一開挖方法不同支護形式下圍巖變形特征，認為同一開挖方法時采用不同支護形式對圍巖變形影響不大，但該結(jié)論只局限于相應工程[5];秦峰結(jié)合數(shù)值模擬及實踐經(jīng)驗對凈距5 m左右的小間距隧道進行分析，給出了不同圍巖條件下隧道開挖方法的建議，有較大的參考價值[6];李云鵬等對不同圍巖類別小間距隧道的施工過程進行模擬研究，通過中隔墻的變形與塑性破壞規(guī)律分析，比選出了三車道隧道中隔墻最小間距的工程設計參考值[7];龔建伍等通過對淺埋小間距隧道圍巖壓力的解析和實測，分析了小間距隧道的圍巖壓力特征[8，9]。近些年來對于小間距隧道理論及施工方法的探索較多，且都具有較大的意義，但小間距隧道因其圍巖、間距的不同存在較多的差別，青島膠州灣海底隧道團島段小間距隧道最小間距為25 cm，且兩隧道斷面大小不一，這種超小間距不對稱隧道鮮有實例，因此對其施工過程中的穩(wěn)定性控制方法進行總結(jié)對小間距隧道的設計和施工有較大的借鑒意義。

2 工程概況

青島膠州灣海底隧道團島段大斷面處小間距隧道的剖面圖如圖1所示。小間距隧道的最小間距為25 cm，對于如此小的間距，維護施工期間中間巖柱的穩(wěn)定性以及兩隧道上覆巖層的穩(wěn)定性都是較為重大的課題。

隧道左洞寬 15.82 m，高 11.89 m，右洞寬11.8 m，高9.67 m，該斷面所處地勢較平坦，覆蓋層主要為雜填土及強風化花崗巖，隧道埋深16～19 m。隧道上部到地表共18 m，其中第一層為2.5 m的雜填土，其下為強風化巖石，隧道圍巖裂隙較為發(fā)育，裂隙被泥質(zhì)膠結(jié)物充填，遇水強度降低嚴重。根據(jù)小間距隧道的實踐經(jīng)驗，率先對隧道左洞進行開挖，在左洞行進30 m后右洞開始施工。鑒于文獻[9]中先行洞受后行洞影響較大的計算結(jié)果，對兩隧道尤其是先行洞進行了較強的支護設計，設計圖如圖2和圖3所示。設計中為控制圍巖穩(wěn)定性采取的最主要措施即為先行洞布設間距為40 cm的φ108大管棚，后行洞布設環(huán)向間距40 cm的φ42超前小導管。

圖1 小間距隧道剖面圖Fig.1 Profile of the tunnel

圖2 先行洞的支護參數(shù)Fig.2 Support parameters of the first-excavation tunnel

圖3 后行洞的支護參數(shù)Fig.3 Support parameters of the after-excavation tunnel

3 施工過程監(jiān)測

利用以上支護參數(shù)，對先行洞采用三臺階法進行施工，前進30 m后對后行洞利用中隔壁法(CD)施工，但后行洞開挖后因掌子面巖過于破碎，加之監(jiān)測結(jié)果顯示后行洞左側(cè)拱腰圍巖壓力較大，立即對掌子面進行封閉。選取剛剛進入小間距時斷面的監(jiān)測結(jié)果，如圖4～圖8所示。

圖4 先行洞圍巖壓力歷時曲線Fig.4 Rock pressure of the first-excavation tunnel

圖5 先行洞拱架鋼筋應力歷時曲線Fig.5 Steel stress of the first-excavation tunnel

圖6 后行洞圍巖壓力歷時曲線Fig.6 Rock pressure of the after-excavation tunnel

圖7 后行洞鋼筋應力歷時曲線Fig.7 Steel stress of the after-excavation tunnel

圖8 圍巖壓力分布特征(單位:kPa)Fig.8 Distribution characteristic ofrock pressure(unit:kPa)

通過以上圖示可以看出如下幾點。

1)先行洞的監(jiān)測結(jié)果顯示，在施工20 m(2倍洞徑)左右后，監(jiān)測斷面的圍巖壓力結(jié)果與鋼拱架鋼筋應力已經(jīng)達到穩(wěn)定階段，穩(wěn)定后圍巖壓力基本呈現(xiàn)左右兩拱腰處最大，拱頂次之，邊墻壓力最小的狀態(tài)，而鋼筋應力的監(jiān)測結(jié)果與圍巖壓力結(jié)果基本符合。穩(wěn)定時的圍巖壓力最大值為90 kPa，鋼拱架最大軸力為103 MPa，圍巖壓力較小，鋼拱架鋼筋處于安全狀態(tài)，可見在較強的支護前提下，先行洞的進洞過程是安全的。

2)后行洞施工后，先行洞各處圍巖壓力均發(fā)生變化，邊墻處變化不顯著，其中變化最明顯處為右側(cè)拱腰，在15 d內(nèi)圍巖壓力增加30 kPa，并仍有繼續(xù)增加的勢頭;先行洞鋼拱架鋼筋軸力以右拱腰處變化最大，應力值達129 MPa。可見后行洞的開挖對先行洞影響最大處為右側(cè)拱腰即靠近后行洞一側(cè)，考慮到上覆土層共厚16 m，其整體松動產(chǎn)生的極限壓力值為320 kPa左右，而鋼筋應力仍離屈服應力較遠，加之先行洞二次襯砌已經(jīng)跟進，先行洞的穩(wěn)定性仍在控制范圍。

3)后行洞的圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果表明，在其進洞初期圍巖壓力即快速增長，當在10 d左右發(fā)現(xiàn)掉塊現(xiàn)象后，左側(cè)拱腰及拱頂?shù)膰鷰r壓力仍呈增長態(tài)勢，左側(cè)拱腰最大圍巖壓力達182 kPa，拱頂圍巖壓力也達160 kPa，表明圍巖穩(wěn)定并未得到良好控制，而鋼筋應力雖最大值為93 MPa，但仍處于高速增長狀態(tài)。

從監(jiān)測結(jié)果可以看出，后行洞臨近先行洞一側(cè)是穩(wěn)定控制的重點區(qū)域。

4 后行洞穩(wěn)定性控制

4.1 支護參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)文獻[9]的分析結(jié)果，小間距隧道后行洞開挖后先行洞左側(cè)與后行洞右側(cè)的圍巖壓力可表示為

式(1)中，q'和q分別為先行洞左側(cè)與后行洞右側(cè)的垂直圍巖壓力;r為圍巖重度;H為隧道埋深;B為隧道跨度;λ和λ'為水平側(cè)壓力系數(shù)。

按照文獻[9]的推演過程，因λ'小于λ，后行洞開挖后，先行洞的垂直壓力受到較大的影響。但是青島膠州灣海底隧道小間距隧道的監(jiān)測結(jié)果(見圖8)顯示，本隧道后行洞圍巖壓力明顯大于先行洞，這與理論分析結(jié)果略有出入。為分析這一現(xiàn)象，運用FLAC3D軟件建立相應的分析模型，得到后行洞開挖后圍巖的變形趨勢，如圖9所示。

圖9 圍巖速度流向Fig.9 Velocity of surrounding rock

通過分析結(jié)果可以看出，后行洞開挖后兩隧道上方的“三角區(qū)域”圍巖變形趨勢多向后行洞集中，這時更多的形變壓力作用于后行洞左側(cè)，導致其圍巖壓力大于其他部分，因此必須對后行洞左側(cè)的徑向支護能力進行加強以制約圍巖的變形趨勢。在設計中增加間距40 cm的φ108大管棚以控制圍巖穩(wěn)定性，如圖10所示。

圖10 后行洞增設管棚示意圖Fig.10 After-excavation tunnel additional pipe roof

4.2 穩(wěn)定性控制效果

為保證及時反饋施工過程中圍巖及襯砌的受力變化并分析支護參數(shù)優(yōu)化后的支護效果，對兩隧道的圍巖壓力、鋼拱架鋼筋應力和先行洞二襯混凝土應力進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果分別如圖11～圖15所示。

圖11 調(diào)整參數(shù)后先行洞圍巖壓力曲線Fig.11 Rock pressure of the first-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖12 調(diào)整參數(shù)后先行洞鋼筋計應力曲線Fig.12 Steel stress of the first-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖13 調(diào)整參數(shù)后后行洞圍巖壓力曲線Fig.13 Rock pressure of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖14 調(diào)整參數(shù)后后行洞鋼筋應力曲線Fig.14 Steel stress of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

圖15 調(diào)整參數(shù)后后行洞二襯混凝土應力曲線Fig.15 Concrete stress of the after-excavation tunnel after adjusting the support parameters

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出如下幾點。

1)兩隧道臨近中間巖柱一側(cè)的拱腰處圍巖壓力較其他部位大很多，說明即使有超前管棚的徑向支護作用，小間距隧道“三角區(qū)域”處仍有較大壓力，但其數(shù)值比未加徑向支護的應力值有明顯減小。從數(shù)值上看，先行洞的圍巖壓力值最大為122 kPa，與未作后行洞管棚支護時相當，可見后行洞管棚支護對先行洞圍巖壓力影響甚微;后行洞圍巖壓力最大值不足70 kPa，較增加管棚前明顯減小，可見增強后行洞的徑向支護能力對于維護隧道穩(wěn)定意義重大。

2)通過先行洞鋼拱架鋼筋應力可以看出，拱腰、拱頂、邊墻處的鋼筋應力監(jiān)測值有明顯差異，規(guī)律為:右側(cè)拱腰(臨近小間距)＞左側(cè)拱腰＞拱頂＞邊墻。鋼筋應力值多在鋼拱架施作70 d后穩(wěn)定，監(jiān)測最大值為120 MPa，遠低于鋼筋抗拉強度。而后行洞鋼筋應力與先行洞鋼筋應力大小相當，左側(cè)拱腰處(臨近小間距)應力值最大，但均處于安全狀態(tài)。

3)二襯混凝土受力經(jīng)歷3 d左右受拉過程后，拉應力逐漸減小甚至受壓(即初凝完成后)，這與混凝土的初期收縮有關(guān)，二襯混凝土拉力值較小。

施工過程中，并未再出現(xiàn)圍巖掉塊等現(xiàn)象，且經(jīng)過長期觀察，初支與二襯均無破壞跡象。

5 結(jié)語

經(jīng)過對非對稱超小間距隧道的現(xiàn)場測試研究得出以下結(jié)論。

1)后行洞開挖使先行洞圍巖壓力增加20 kPa左右，由于本隧道施工時考慮了這種影響，對先行洞進行超前管棚支護，施工中先行洞穩(wěn)定性較好。

2)對于非對稱小間距隧道，后行洞開挖后其自身臨近巖柱一側(cè)圍巖壓力大于其他部位，實測結(jié)果表明巖柱上方的“三角區(qū)域”穩(wěn)定性較差，制約著小間距隧道圍巖的整體穩(wěn)定。

3)通過增設后行洞管棚進而提高后行洞的徑向支護能力，能夠有效維護小間距隧道圍巖的穩(wěn)定性，利用這一方法保證了青島膠州灣海底隧道小間距段的順利貫通。

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