單洞四車道公路隧道現場監測分析研究

曾宏飛，王玉鎖，李俊杰，楊超，馮高飛

(1．西南交通大學，四川成都610031;2．中國中鐵二院工程集團有限公司，四川成都610031)

單洞四車道公路隧道現場監測分析研究

曾宏飛1，2，王玉鎖1，李俊杰1，楊超1，馮高飛1

(1．西南交通大學，四川成都610031;2．中國中鐵二院工程集團有限公司，四川成都610031)

近年來，我國高等級公路建設中出現了越來越多的超大斷面單洞四車道隧道，與傳統的單洞兩車道隧道相比，其受力條件復雜，施工難度加大，施工監測愈發重要。本文通過對福建省牛寨山隧道施工過程中地表沉降、拱頂下沉、洞周收斂、圍巖壓力、襯砌內力等的監測與分析，探討此類隧道施工特點。監測結果顯示，超大斷面隧道開挖變形大，洞口軟弱圍巖段受力復雜。此外，論述了現場監測對超大斷面公路隧道的必要性及仰拱施作對抑制隧道變形的顯著作用。

隧道工程 超大斷面 四車道 監控量測

隨著我國經濟建設的發展，高等級公路的迅速建設和交通運輸要求的逐步提高，傳統的單洞兩車道的公路隧道已經漸漸變得不能滿足需要，近年來出現了越來越多的單洞三車道、單洞四車道的公路隧道，如福建的金雞山隧道、魁岐2號隧道，廣州的龍頭山隧道，大連的韓家嶺隧道均為單洞四車道公路隧道，其最大開挖斷面均超過了200 m2，按日本隧協斷面劃分標準均屬于超大斷面隧道。

單洞四車道隧道受力條件比較復雜，襯砌結構承受的圍巖壓力較大，再加上施工期間多工序的轉換、開挖隧道對圍巖的多次擾動等很多因素使得極易出現圍巖失穩和隧道結構破壞的現象。目前國內外都加強了對四車道大斷面公路隧道的施工管理，重點加強了監控量測、反饋分析等信息化施工動態控制技術的落實，以保證四車道公路隧道的結構安全和圍巖穩定［1-3］。而現場監測對于超大斷面隧道新奧法施工具有重要意義，它能預防施工中的險情和事故，以便及時采取補救措施把隧道施工中可預見的危險降到最低［4-7］。

本文結合牛寨山南線隧道的現場監測結果，對單洞四車道隧道施工過程中圍巖和支護體系的變形及受力特點進行分析，以期對相關支護體系的優化提供依據，并為以后類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

牛寨山隧道南線位于福州市平潭縣城區西側，進口位于東壁村，出口位于紅山村。南線隧道起訖樁號為SK4+336—SK5+165，總長829 m。隧道單洞建筑限界18 m×5 m，南線隧道在V級圍巖中開挖跨度達21 m，最大開挖面積為260 m2，扁平率約0.691，屬于軟弱圍巖中大跨度扁平隧道。

該隧道場址屬于殘坡積臺地及低山丘陵，覆蓋層由第四系坡殘積土組成，基巖主要為燕山晚期侵入的中細粒花崗巖，巖體風化差異很大，不均勻現象顯著。隧道南線進出口段斜坡坡度為10°～35°，地形起伏較大，洞口淺埋段埋深5～20 m，洞身段最大埋深約121 m。隧道進、出口有約100 m的Ⅴ級圍巖，隧道中部有約445 m的Ⅲ級圍巖，其余均為Ⅳ級圍巖，圍巖主要為花崗巖。

隧道Ⅴ級圍巖段采用雙側壁導坑法施工，復合式襯砌，初期支護以錨桿濕噴混凝土、鋼支撐掛鋼筋網為主，輔以超前大管棚、超前小導管等。隧道Ⅳ級圍巖采用中隔壁法施工，開挖前設置超前錨桿，隧道III級圍巖段采用單側壁導坑法施工［8］。

2 監測情況

單洞四車道公路隧道屬于超大斷面隧道，開挖工序和方法直接影響隧道結構和圍巖的穩定性，尤其是隧道進出口淺埋段受力較為復雜，隧道施工現場的監控量測是確保安全施工的必要手段。

根據公路隧道施工規范的要求，針對該超大斷面隧道的一些特點和施工方法以及地勘情況，確定主要的監測內容為地表沉降、拱頂下沉、洞周收斂、圍巖壓力、鋼支撐內力、二襯內力等。代表性監測斷面測點布置見圖1。

圖1 代表性監測斷面測點布置

3 監測結果與分析

3.1 圍巖變形監測結果分析

1)地表沉降

在隧道南線出口段地表SK5+070，SK5+060斷面處布置了2條地表沉降測線，每條埋設7個地表監測點?，F以SK5+060監測斷面為例做簡要分析，該斷面各監測點地表沉降曲線及地表沉降時程曲線分別見圖2、圖3。

圖2 SK5+060監測斷面地表沉降曲線

圖3 SK5+060監測斷面地表沉降時程曲線(2013年)

從圖2可見，此監測斷面地表沉降最大值在隧道中線偏左監測點P3處。結合相關監測資料［9］，對于一般隧道地表沉降最大值應出現在隧道中線位置，初步認定此隧道南線出口端存在一定偏壓。由圖3可見，隨著隧道的開挖，各地表監測點下沉波動很大，其中開挖左、右上導坑對地表下沉影響顯著且此時下沉速率較大，表明相關支護結構不能滿足相應的支護要求。2013年3月中下旬報警停工以后地表沉降維持穩定直至2013年7月初設計、施工單位更改施工方案，增加相應支護措施以后，隧道恢復施工。雖然隧道開挖中上導坑和下導坑時仍對地表下沉有一定影響，下沉速率卻明顯放緩，仰拱施工完畢后該監測斷面沉降量逐漸趨于穩定。從仰拱施工完畢到通過該監測斷面50 m，此斷面各地表沉降監測值無明顯變化。

2)拱頂沉降

隧道南線拱頂沉降縱向分布曲線見圖4。圖中Ⅲ～Ⅴ為設計圍巖級別，SK5+060監測斷面的拱頂沉降時程曲線見圖5。各級別圍巖中拱頂沉降值見表1。

圖4 隧道南線拱頂沉降縱向分布曲線

圖5 SK5+060監測斷面拱頂沉降時程曲線(2013年)

表1 各級別圍巖中拱頂沉降統計

從圖4可見，隧道南線出口段拱頂沉降較大，最大值已達－106.7 mm，而隧道中部與隧道進口段沉降較小。結合表1可以看出同樣是設計Ⅴ級圍巖段，隧道進口段拱頂沉降平均值只有－4.58 mm，而隧道出口段卻高達－93.58 mm，且Ⅳ級圍巖段也有相似結果。這表明在實際開挖過程中，進口段圍巖條件和地質條件要遠好于預期，而出口段實際圍巖條件卻比預期惡劣，進而在出口段開挖時出現過報警停工、改進支護措施的事實。這再次說明了地下工程的復雜性和監控量測工作的重要性。

從圖5可見，SK5+060監測斷面左拱頂沉降值要明顯大于右拱頂。從最終沉降量來看，左拱頂比右拱頂多下沉36.38 mm;從平均值來看，左拱頂比右拱頂多下沉約20.36 mm。此數據進一步驗證了圖2中有關此斷面存在一定偏壓的推論。另外，開挖初期拱頂沉降快速增長以致報警停工近三個月，更改方案復工以后沉降速率有所減慢，在仰拱施工完畢以后，各點沉降量達到最終沉降量的90%左右，沉降速率進一步減小，變形緩慢增長，大約20 d后基本達到穩定。

3)洞周收斂

各斷面的洞周收斂測線布置參見圖1。由于隧道出口淺埋段圍巖穩定性較差，并且施工工序復雜、隧道出口段在停工與復工之間時間間隔長達近3個月，加大了施工對周圍圍巖的擾動，加之隧道在此可能存在的偏壓情況，使得此段隧道收斂相對較大，水平收斂穩定時間也較長。南線隧道最大水平收斂(－17 mm)出現在隧道出口段，中部的水平收斂相對較小，平均值為－2.76 mm，并且其穩定時間較短，大約在25 d。進口段圍巖情況較好，其水平收斂亦相對較小，平均值為－3.88 mm，穩定時間在30 d左右。

圖6是南線隧道SK5+060監測斷面測線BD水平收斂、測線距掌子面距離與時間的關系曲線。從圖6可見，左、右上導坑開挖使該斷面產生較大水平收斂，中、下導坑的開挖也使該斷面收斂值迅速增加，直至掌子面距離監測斷面40 m后變形才趨于穩定，略去隧道停工近三個月的時間，水平收斂波動趨于穩定的時間大概在50 d左右。根據相關資料，圍巖變形與測點到開挖面的距離L和隧道洞徑D有密切關系。理論上，收斂變形與L/D成指數關系，一般在L/D達到2～3后基本穩定，隨后迅速減小直至穩定［10］。

圖6 SK5+060監測斷面測線BD的水平收斂、測線距掌子面距離時程曲線(2013年)

3.2 圍巖壓力及支護內力監測結果分析

1)圍巖壓力

南線隧道SK5+050監測斷面圍巖壓力時程曲線見圖7。

圖7 SK5+050監測斷面圍巖壓力時程曲線(2013年)

從圖7可見，左拱肩在右上導坑開挖和中上導坑開挖時壓力增大了近270 kPa，其最大值達到399.49 kPa。究其原因，是由于相關導坑的開挖使周圍土體發生擾動，原有土體對隧道周圍土體的約束減小，同時臨時支撐的拆除使得左上導坑荷載進一步加大。隨著時間的推移，左拱肩壓力逐漸減小，隧道拱頂壓力逐步增加，說明隨著支護措施的施作，隧道周圍土體壓力重新分布。仰拱施工完畢后，壓力逐步減小，逐漸趨于穩定。

另外，南線隧道SK5+050監測斷面左側圍巖壓力明顯大于右側，如左拱肩、左邊墻土壓力平均值分別為163，150 kPa，而右拱肩、右邊墻土壓力平均值分別為6.2，35.3 kPa。這與圖2和圖5顯示此段存在一定偏壓的情況相符。

2)鋼支撐內力

由于南線隧道SK5+050監測斷面現場鋼支撐鋼筋計部分被破壞，現以其斷面左上導坑、右上導坑為例，簡略說明現場量測結果。SK5+050監測斷面鋼支撐內力時程曲線見圖8。

圖8 SK5+050監測斷面鋼支撐內力時程曲線

由圖8可見，從隧洞開挖到臨時支撐拆除，初期支護和臨時支撐相互協作共同承擔圍巖和結構的荷載。如左上導坑左邊墻外側在臨時支撐拆除前鋼支撐軸力平均值－10.32 MPa，左上導坑左邊墻內側在臨時支撐拆除前軸力平均值－23.49 MPa，而左上導坑臨時支撐外側在臨時支撐拆除前軸力平均值只有－6.17 MPa，左上導坑臨時支撐內側在臨時支撐拆除前軸力平均值也只有－4.6 MPa，說明此斷面隧洞左上導坑在臨時支撐拆除前由初期支護承擔主要荷載。右上導坑也有相似狀況，不同的是，右上導坑在臨時支撐拆除前由臨時支撐承擔了大部分荷載。

另外，可以看出臨時支撐的拆除使得初期支護承擔的荷載明顯增加，其中左上導坑初期支護在臨時支撐拆除后所受荷載增大了－17.82 MPa，右上導坑初期支護在臨時支撐拆除后所受荷載增大了－26 MPa。上導坑臨時支撐拆除后，其初期支護所受軸力在一段時間內(約8 d)上下波動，這表明其洞周應力在重新分布，隨后軸力逐漸趨于穩定。

3)二襯內力

南線隧道SK5+050監測斷面二襯應力時程曲線見圖9。應力以壓為負值，以拉為正值。

圖9 SK5+050監測斷面二襯應力時程曲線

從圖9可以看出，SK5+050監測斷面二襯在澆筑完成約15 d內，各測點應力都處于波動狀態，其中拱頂內側曾出現過峰值為0.35 MPa的拉應力，隨后逐漸變化為壓應力。主要原因在于二襯澆筑后，混凝土固結導致應力重分布，而隨著時間的推移，二襯各測點應力緩慢增長并趨于穩定。該斷面二襯所受最大壓應力約2.8 MPa，遠小于混凝土的抗壓強度，說明二襯結構安全。

另外根據文獻［11］中偏心受壓構件公式，計算得出此斷面二次襯砌各位置安全系數滿足規范要求，各測點安全系數最小值(12.3)出現在隧洞右邊墻位置，也大于規范要求值(2.4)，說明此斷面二襯結構安全穩定。

4 結論

1)從南線隧道整體監測結果來看，隧道出口Ⅴ級圍巖段在施工初期，支護措施不能滿足實際情況的需要，在調整相關支護參數以后，地表沉降和隧洞變形情況都有了明顯好轉。說明調整后的支護措施與施工方法可行。

2)隧洞變形是時間和空間相互作用的結果，以隧洞水平收斂來看，掌子面影響的范圍大約在40 m左右，需要穩定的時間大概在30～50 d，并且圍巖條件越惡劣，需要穩定的時間越長。

3)從地表沉降與隧道洞周變形的監測結果來看，仰拱的施作對抑制地表下沉和隧洞變形起到顯著作用，這表明開挖斷面的及時閉合對控制隧道變形非常關鍵。

4)從支護內力的監測結果來看，初期支護承擔了大部分圍巖和結構的荷載，二襯澆筑后分擔了一小部分荷載，使得隧洞周圍應力重新分布。二襯結構受力要遠小于初期支護受力，說明二襯起到了安全儲備的作用。

隧道工程深入巖土體內部，由于各種地質環境或者結構面的復雜性常常難以準確把握巖土體的狀況，監控量測工作可以實時動態監測隧道施工過程中的各種變形和受力狀態，因此監測資料可用于及時修正設計或調整施工方案。

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(責任審編葛全紅)

U455

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．23

1003-1995(2015)04-0085-04

2014-10-20;

2015-02-10

曾宏飛(1989—)，男，四川瀘州人，碩士研究生。