隧道擴挖圍巖與初期支護間的壓力監測分析

李海光

（金華市公路管理局，浙江 金華 321013）

隧道擴挖圍巖與初期支護間的壓力監測分析

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挖時圍巖與初期支護間的相互作用規律，在隧道改造工程測試斷面中，對隧道擴挖圍巖與初期支護間的壓力進行了監測，并對監測數據進行了詳細分析。監測分析結果表明：隨著隧道擴挖掌子面往前推移，圍巖與初期支護間的土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩定；隧道Ⅳ級圍巖段的圍巖壓力總體上大于隧道Ⅲ級圍巖段的圍巖壓力。

隧道擴挖；圍巖；初期支護；壓力

0 引 言

農村公路因早年建設資金短缺、車流量小、交通組織簡單，導致一些斷面尺寸小、支護措施簡單（或無支護）的公路隧道出現滲漏水、掉塊、支護開裂等病害，給交通運營安全帶來了隱患。為確保人民群眾的安全出行，急需對此類既有農村公路隧道進行改造。

隧道改造時，隧道擴挖圍巖與初期支護的相互作用，常常成為控制工程投資、工期和施工安全的重要因素；因此，研究隧道擴挖圍巖與初期支護間的相互作用，對于指導既有隧道施工、提高工程質量、確保施工安全、降低工程費用等具有非常重要的現實意義［1］。

1 工程概況

某隧道位于農村公路，隧道全長402m，起止里程為K6＋958～K7＋360。原有隧道大部分為無支護的毛洞，局部段采用漿砌塊石襯砌支護，支護段總長約25m。隧道洞身實際限界凈高度約4m，實際寬度約4.2m，車輛交匯困難。修建時受各方面條件限制，隧道開挖斷面不規則，且大都無襯砌支護，存在嚴重漏水、掉塊甚至局部塌方等病害。根據公路隧道現行的相關規范，為保障交通安全、提高通行能力，需對隧道進行改造。按四級公路單洞隧道雙向通行設計；隧道全長按直線布置，設計縱坡坡度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。主要采用復合襯砌支護，局部段采用單層襯砌。通過擴挖方式增加原有斷面的凈空至設計要求值，在此基礎上施做初期襯砌、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、管線溝槽及路面結構層［2－5］。隧道擴挖前后斷面輪廓對比如圖1所示。

圖1 隧道擴挖前后斷面輪廓對比

2 隧道擴挖方案

由于該隧道已開挖運營20多年，存在嚴重漏水、時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，改造設計開挖斷面平均面積為56.8m2，斷面擴挖平均面積為36.3m2。對既有斷面與擴挖后斷面進行對比分析，施工主要為環形擴挖，兩側的開挖量大于拱頂開挖量。考慮到隧道圍巖相對較好，隧道擴挖施工方案借鑒新修隧道的施工方案，采用光面爆破技術。

綜合既有隧道建設年代較久遠、圍巖依時變形、環形擴挖存在對稱結構和不對稱結構等特性，在隧道開挖光面爆破過程中，需要掌握圍巖結構特性，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。針對該隧道的實際情況擴挖，嚴格控制周邊炮眼單孔裝藥量，控制周邊眼炮布置和不對稱環形結構的爆破周邊眼，控制炮眼單孔深度、位置、方位、布置方式，根據現場圍巖結構變化調整光面爆破參數，確保光面爆破的整體效果。

3 擴挖圍巖與初期支護間的壓力監測

3.1 監測目的

（1）監測隧道擴挖時圍巖與初期支護間的壓力變化規律，了解初期支護對圍巖的支護效果，掌握圍巖－初期支護體系的工作動態，利用測試結果優化設計，指導施工。

（2）對比擴挖隧道不同地質類型條件下圍巖與初期支護間壓力的大小，判別結構的安全性。

（3）分析擴挖隧道的圍巖－支護結構受力特點，為擴挖隧道設計合理的支護參數提供數據參考。

3.2 監測方法

選擇測試斷面的位置，沿隧道周邊在圍巖與初期支護之間埋設壓力盒，每個斷面在邊墻、拱肩及拱頂部位共設置5個測點。

3.3 測點布置

在里程號 K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137附近布置4個圍巖壓力監測斷面。壓力盒埋設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。圍巖與初期支護間的壓力盒應在距開挖面1～3m范圍內安設，并在工作面開挖后24h內或下次開挖前測取初讀數據。在測量過程中應及時處理數據，繪制接觸壓力－時間曲線散點圖和接觸壓力－與開挖面距離曲線散點圖，預測支護結構所承受的接觸壓力值，判定其安全狀態。

3.4 監測頻率

當監測斷面與開挖面的距離s＜15m時，監測頻率為每天1次；當15m＜s＜40m時，監測頻率為每2天1次；當s＞40m時，監測頻率為每周1次。當壓力監測數據出現異常時，應加密監測，查明原因，及時采取措施進行處理。

3.5 監測結果與分析

在斷面K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137處分別埋設測試儀器，其掌子面與測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處圍巖與初期支護間土壓力隨時間的變化趨勢。

表1 K7＋075斷面測量日期和掌子面距離對照

表2 K7＋091斷面測量日期和掌子面距離對照

表3 K7＋112斷面測量日期和掌子面距離對照

表4 K7＋137斷面測量日期和掌子面距離對照

從圖2～5的監測數據可以看出，隨著時間的推移（即隨著掌子面往前推移），圍巖與初期支護間土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩定。在掌子面距離測試斷面小于30m時，土壓力增長迅速；超過30m后土壓力增長變緩，并逐漸趨于穩定。

圖5 K7＋137斷面圍巖與初襯間土壓力監測數據

測試斷面K7＋075和K7＋091位于隧道Ⅳ級圍巖段，K7＋112和K7＋137斷面位于隧道Ⅲ級圍巖段，從圖3～6中可以發現，除個別測點外，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，最大達到80kPa，最小只有2kPa。

4 結 語

本文依托農村公路隧道擴建工程實例，對既有隧道擴挖圍巖與初期支護間壓力的分布規律作了監測分析和初步探討。監測結果表明：隨著隧道擴挖掌子面往前推移，圍巖與初期支護間的土壓力逐漸增加，并總體上逐漸趨于穩定；Ⅳ級圍巖段的圍巖壓力總體上大于隧道Ⅲ級圍巖段的圍巖壓力。本文得出的隧道擴挖圍巖與初期支護間壓力的分布規律，可為同類隧道擴挖確定合理的支護參數提供參考，對于指導既有公路小斷面隧道施工、提高工程質量、確保施工安全、降低工程造價等均具有重要的意義。

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

［2］譚儀忠，劉元雪，周結中.隧道擴建合理開挖步序的研究［J］.后勤工程學院學報，2011（9）：8－16.

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

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

［5］余永強，熊芳斌，李華茂.廈門翔安海底隧道開挖圍巖應力與位移監測分析［J］.施工技術，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

［責任編輯：王玉玲］