既有隧道間新建小凈距大斷面四車道隧道動態施工監測技術

■蘇 濤

(福建省交通建設質量安全監督局，福州 350001)

1 引言

隨著我國高等級公路建設的快速發展，大跨徑、小凈距隧道在山區高等級公路中被廣泛應用。在中短隧道建設類型的選擇上，小凈距隧道經常被采用。目前多車道大斷面公路隧道建設的設計和施工經驗均相對不足，需要在實踐中不斷摸索，提高設計和施工技術。特別是在運營兩隧道之間新建一座四車道隧道，并將右洞擴建為四車道，形成了大斷面小間距隧道群，此種情況在國內尚屬首次，本文所涉及的泉廈高速公路擴建工程大帽山隧道的施工，因為其重要性、特殊性以及可借鑒的相關經驗和資料較少的特性而受到廣泛關注。下主要介紹了該隧道新建左線施工階段的監控量測工作。

2 項目概況

2.1 隧道概況

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

擴建方案為在原兩洞之間新建一座四車道隧道，并將右洞擴建為四車道，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壁距既有隧道側壁分別只有5.89m 和8.83m，從小凈距隧道分類[2]可以判斷為嚴重影響穩定的超小凈距隧道，其關系如圖1 所示。

圖1 大帽山隧道洞室位置關系圖 （單位：m）

2.2 施工情況

大帽山隧道最大毛洞開挖跨度為21.67m，結構按新奧法原理進行設計，采用復合襯砌。V 級圍巖地段，采用雙側壁導坑法開挖；Ⅳ級圍巖地段，采用單側壁導坑法開挖；Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段，采用上下臺階法法開挖。新建隧道和既有隧道間距較近，爆破作業對相鄰隧道的穩定性有較大影響，開挖采用微震爆破技術，嚴格控制爆破震動對隧道圍巖和相鄰隧道的影響。雙側壁導坑法斷面內的上下臺階長度不得大于5m，左、右導坑錯開8～10m。開挖順序如圖2 所示。

圖2 大帽山隧道左線進口雙側壁導坑法施工簡圖

3 監控方案

3.1 監測方案設計

大帽山隧道監控量測設計依據《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）、《公路隧道施工技術規范》（JTJ 042—94）以及福建省交通規劃設計院《福建省泉州至廈門高速公路擴建工程A8 標大帽山隧道兩階段施工設計》中有關監控量測說明。監測內容為：周邊收斂位移、拱頂下沉、地表仰坡位移、地質超前預報、系統錨桿軸力、圍巖內部位移、圍巖壓力及初砌內力、支護內力、爆破震動等監測項目[3、4、5]。限于篇幅，本文著重討論隧道圍巖變形量測的收斂和拱頂下沉的施工監測情況。具體測點布點見圖3。

圖3 雙側壁導坑施工一般監測斷面布置示意圖

3.2 監測方案優化

結合現場監測方案優化分析如下：大帽山隧道左線進口采用雙側壁導坑法施工，最大開挖高度14.41m，最大開挖寬度21.67m；側導坑設計開挖高度達12.90m，寬度達8.25m，與一般單洞雙車道隧道全斷面開挖面積接近，且因為隧道側導坑高跨比較大，受力條件較為惡劣，左右導坑先行開挖，預留核心土，導坑開挖采用交替爆破掘進，這樣對核心土及初支形成多次擾動，所以對導坑的支護變形監測尤為重要。對于大跨徑隧道來講，相關資料表明[6]，拱頂下沉測點測值的變化對于把握圍巖動態變化趨勢是相當重要的，故在側導坑開挖時進行拱頂下沉監測。

4 監測實例應用分析

4.1 地表仰坡沉降

地表沉降測點距洞口16m，埋深不足10m(見圖4)。掌子面開挖至監測斷面5m 前，各測點產生沉降量較小；掌子面推進到監測斷面后；隧道輪廓范圍內測點沉降量明顯增大，下沉歷時約70d 后趨于穩定。由圖5、6 可見隧道軸線位置附近沉降明顯，兩側逐漸減小，大致呈漏斗狀，沉降影響范圍沒有到3 倍洞徑；基本是從洞底邊線作45°角延伸到地面這一范圍。由于右導先行開挖，所以靠近右導范圍洞頂下沉量大于后開挖的左導坑，變形趨勢與圍巖應力釋放吻合。

圖4 大帽山隧道出口地表下沉測點布置示意圖

由地表沉降時程曲線可知，地表沉降大致經歷三個階段：

⑴當右側壁上臺階推進到監測斷面前10m 時，地表沉降速率開始增大，當掌子面推過監測斷面時，沉降幾乎呈直線增加，沉降量約為總沉降量的20%。

⑵當左導坑上臺階掌子面推進到距監測斷面前約5m 時，地表沉降量再次增大并一直持續到通過該斷面，沉降幾乎呈線性增加，沉降量約為總沉降量的60%。

（3）當下臺階及仰拱開挖通過地表下沉斷面時，下沉速率再一次增大，仰拱封閉成環后7d，下沉速率便逐漸減小，日趨穩定。此時沉降量約為總沉降量的20%。

圖5 隧道進口地表下沉位移曲線圖

圖6 隧道進口地表下沉時程曲線圖

圖7 隧道出口地表下沉位移曲線圖

圖8 隧道出口地表下沉時程曲線圖

4.2 凈空收斂

本文選取的典型收斂斷面埋設時距右導坑掌子面2m。整個斷面距掌子面30m 后收斂測線變化已趨于平穩，32d 累計最大收斂值只有4.55mm，位移曲線見圖9。根據JTJ042-94《公路隧道施工技術規范》[6]規定，在Ⅳ級淺埋圍巖段，隧道圍巖最終允許相對變形量為0.15%～0.50%，導坑斷面水平測線長7.3 m，實測洞周收斂相對值為0.06%，遠小于規范允許值。收斂趨勢23d 后開始逐漸趨于穩定。

圖9 典型斷面收斂移曲線圖

從量測結果看，右導坑收斂值大于左導坑，橫向水平收斂值一般都大于斜向收斂值，這與左導距既有隧道側壁距離（5.89m）小于右導距既有隧道側壁(8.93m)的事實是相符的，也和右導超前于左導開挖的施工工序是相符的，同時后行的開挖會對先開挖的圍巖產生一定的影響。距離開挖工作面越近收斂曲線波動越大，距離開挖工作面超過1.5 倍洞徑的收斂測線趨于穩定。同時收斂曲線的波動性也反映出初始錨噴支護極易受到局部地質條件及掌子面的擾動影響。

基于上述分析，并對本隧道已完成的測量數據統計（見表3）后綜合考慮公路隧道斷面、圍巖強度、圍巖級別、不良地質情況等影響因素，本文提出如表4 所示的四車道公路隧道監控量測預警值。

表3 已完成收斂斷面數據統計

表4 建議洞周收斂預警值

4.3 拱頂下沉

典型拱頂下沉斷面圍巖抗壓和抗剪強度低，承載力差，屬于V 級圍巖，埋設時距右導坑掌子面3m。右導坑先行開挖，位于該導坑內的G1 測點下沉趨勢明顯，下沉量大于位于左導內的G3 和位于拱頂中央的G2 測點。G1 測點歷時179d 后累計下沉18.07mm，測點埋設初期拱頂下沉增幅較大，隨著掌子面開挖遠離斷面后，下沉歷時69d 后逐漸減弱趨于穩定，下沉趨勢見圖10。依據JTJ042-94《公路隧道施工技術規范》[7]之規定，隧道圍巖最終允許相對變形量為0.20%～0.80%，導坑斷面水平測線長7.3 m，實測拱頂下沉相對值為0.25%，實測下沉量較小。

圖10 典型斷面拱頂下沉移曲線圖

參考《鐵路隧道噴錨構筑法技術規則》（TB10108-2002，J159-2002），（見表5）結合大帽山隧道的實際情況采取了III 級管理制度作為監控量測管理方式。

表5 監控管理制度

同時基于規范考慮，并且統計本隧道已完成實測監測數據（見表6）后綜合考慮公路隧道斷面、圍巖強度、圍巖級別、不良地質情況等影響因素，提出了建議的四車道公路隧道監控量測不同圍巖分類預警值(見表7)。

表6 已完成拱頂下沉斷面數據統計

表7 建議拱頂下沉預警值

控制標準、警戒值及警戒管理模式已在泉廈高速擴建沿線隧道施工中實施，并且取得了良好的實際應用效果。大帽山隧道新建左線發布了Ⅰ級警戒3 次，Ⅱ級警戒13 次；及時有效預警了施工中的變形過大問題，并采取了相應的防范措施，避免了重大施工事故的發生，有效地保證了施工安全。

5 結語

(1)本文通過對泉廈高速擴建工程大帽山隧道大量監控量測實測數據的分析，總結后提出了四車道公路隧道洞周收斂和拱頂下沉預警值參考值，并在后續監測工作中應用并取得成效，對類似工程具有實際指導意義。

(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,且采用雙側壁導坑法開挖，核心土和圍巖受到多次開挖的擾動，結構的受力較為復雜，其薄弱環節和薄弱部位、現場監控量測的重點以及量測項目的基準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，爆破震動監測建議作為必選監測項目，同時由于時空效應明顯，要著重注意各環節施工對初支及圍巖的影響，各導洞均應布置獨立成系統的斷面收斂測點及拱頂下沉測點，并密切分析與相鄰隧道間的相互影響。

[1]JTG D70—2004）,公路隧道設計規范[S].北京，人民交通出版社，2004.

[2]雙洞小凈距隧道設計、施工關鍵技術研究.西部交通建設科技項目.

[3]任國雷.大跨度隧道側壁導坑法施工過程數值模擬[J].西部探礦工程，2005（3）.

[4]曾磊.特大斷面隧道遠程自動化監測方案的研究[J].現代隧道技術，2007（10）.

[5]李云鵬，韓常領.柞小公路隧道爆破震動波現場監測與分析研究[J].現代隧道技術，2008（10）.

[6]李曉紅.隧道新奧法及其量測技術.北京:科學出版社，2001.

[7]JTJ042-94,公路隧道施工技術規范[S].