小凈距隧道群中夾巖水平位移規(guī)律的現(xiàn)場實測研究

丁玉仁

(平潭綜合實驗區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司 平潭 350400)

小凈距隧道是指平行雙線隧道間的中間巖柱厚度小于規(guī)范建議值[1]的特殊隧道布置形式，其雙洞凈距一般小于1.5倍洞徑。小凈距隧道能很好地滿足特殊地質(zhì)和地形條件下公路線橋隧銜接，有利于公路總體線型優(yōu)化。隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，小凈距隧道因其節(jié)約建設(shè)用地、利于線路展線等優(yōu)點，已在各類公鐵路隧道工程中得到廣泛運用[2]。由于小凈距隧道雙洞凈距較小，兩洞間的施工干擾較大，因此，在小凈距隧道施工過程中控制中夾巖柱的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

許多學(xué)者采用理論研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法對隧道中夾巖展開深入研究。孫振宇等[3]通過對41座小凈距隧道的雙洞內(nèi)側(cè)圍巖壓力進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立了小凈距隧道荷載計算模型，提出了小凈距隧道圍巖壓力的計算方法，為完善中夾巖墻的加固方法奠定理論基礎(chǔ)。龔建伍等[4]針對小凈距隧道先后施工相互影響的特點，對淺埋小凈距隧道的圍巖壓力進(jìn)行理論分析和探討，建立淺埋小凈距隧道圍巖壓力的分析模型，優(yōu)化了小凈距公路隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)。賀鵬等[5]用改進(jìn)的非連續(xù)變形分析法對大嶺隧道淺埋小凈距段圍巖的變形破壞規(guī)律及裂隙演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以裂隙擴(kuò)展破碎區(qū)貫通與否作為中夾巖柱穩(wěn)定性的評定依據(jù)，得到了中夾巖柱變形破壞特征，并對其支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

姚云[6]以某軟弱圍巖大斷面小凈距隧道工程為背景，基于Abaqus數(shù)值平臺建立三維隧道數(shù)值模型，研究了隧道施工過程中中夾巖柱穩(wěn)定性變化規(guī)律，并提出了合理有效的中夾巖加固方案。王更峰等[7]結(jié)合魁岐大跨小凈距隧道工程，通過對不同圍巖條件下施工方案的數(shù)值模擬，分析不同等級圍巖條件下，中夾巖柱支護(hù)參數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。劉蕓等[8]結(jié)合具體工程,提出對中夾巖柱進(jìn)行區(qū)域劃分,針對軟弱圍巖,采用二維有限元計算方法,對中夾巖柱預(yù)應(yīng)力錨桿及注漿加固、中巖墻預(yù)應(yīng)力錨桿加固和中夾巖柱不同加固組合方式進(jìn)行了研究。馬來秋[9]以某小凈距隧道工程為例進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得出凈距越小，中夾巖柱表現(xiàn)越敏感，且圍巖應(yīng)力、屈服接近度、收斂變形值于某個隧道凈距值會產(chǎn)生突變，提出各項指標(biāo)值發(fā)生突變時的凈距作為小凈距隧道的合理凈距。張國華等[10]結(jié)合大帽山小凈距隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面小凈距隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時圍巖的穩(wěn)定性，闡明了分導(dǎo)洞開挖時圍巖內(nèi)部位移的變化趨勢、特點、位移場及相鄰導(dǎo)洞施工時的相互影響。

另一方面，隨著市政交通需求的迅猛增長和城市建設(shè)用地的日益緊張，多孔大斷面小凈距的隧道橫斷面布置形式越來越多。而小凈距隧道中夾巖的變形(尤其是水平位移)能直觀反映其施工過程中圍巖的穩(wěn)定性，但目前針對該類型隧道中夾巖位移規(guī)律的相關(guān)研究還較為缺乏，因此，本文以平潭綜合實驗區(qū)龍興嶺隧道為背景，采用現(xiàn)場實測的方法，研究淺埋條件下多孔大斷面小凈距隧道中夾巖的水平位移規(guī)律，以期為此類隧道的設(shè)計和施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 隧道橫斷面布置

龍興嶺隧道位于福建省平潭綜合實驗區(qū)，為實驗區(qū)新建麒麟大道的一部分，是市政一級公路隧道。隧道總長約500 m，由2個機(jī)動車主洞、2個非機(jī)動車人行輔洞和1個電力隧道構(gòu)成，其橫斷面布置見圖1。

圖1 龍興嶺隧道橫斷面布置(K0+833)(單位：m)

主洞采用曲墻三心圓內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為14.2 m×9.46 m(寬×高)，左、右主洞內(nèi)輪廓間的最小距離為7.31 m。輔洞采用曲墻單心圓內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為7.69 m×6.4 m(寬×高)，左側(cè)(右側(cè))主輔洞內(nèi)輪廓間的最小距離為9.66 m。另有一電力隧道因其開挖面積較小，距離主輔洞相對較遠(yuǎn)(大于16.4 m)，本文中不做重點考慮。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)相關(guān)勘察設(shè)計文件[11]，隧址地貌屬構(gòu)造剝蝕形成的殘坡積臺地，覆蓋層厚度整體較薄，隧道進(jìn)出口處基巖埋深、風(fēng)化層厚度較大。隧道穿越于山坡之下，地形起伏較大，局部較為平緩。隧道區(qū)覆蓋層由第四坡、殘積土組成，下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)和燕山早起侵入花崗巖(γ52)，巖體風(fēng)化差異很大，不均勻現(xiàn)象顯著。

隧址地下水主要為風(fēng)化裂隙-孔隙水及裂隙密集帶中的構(gòu)造裂隙水，水量較貧乏，受大氣降水的補給，對洞身圍巖及開挖影響較小，主要對進(jìn)出洞口圍巖及施工有影響。裂隙密集帶處水量較豐富，正常涌水量約為300 m3/d，地下水腐蝕性為微腐蝕。隧道區(qū)范圍內(nèi)未見有軟弱土及砂土液化，未見有大型滑坡、崩塌等其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。

隧道洞身段圍巖等級大多為IV～V級，洞口段圍巖等級均為V級。以進(jìn)口段K0+833斷面為例，見圖2，由上到下依次分布有坡積粉質(zhì)黏土(厚約2～3 m)、全風(fēng)化凝灰熔巖(厚2～3 m)砂土狀全風(fēng)化凝灰熔巖(厚3～5 m)、碎塊狀強風(fēng)化凝灰熔巖(厚5～10 m)、中風(fēng)化凝灰熔巖(厚5～10 m)微風(fēng)化凝灰熔巖。該斷面處主洞埋深為10.03 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，輔洞埋深為10.24 m，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

圖2 地質(zhì)橫斷面及測斜孔布置(K0+833)

2 中夾巖變形的現(xiàn)場實測

控制中夾巖穩(wěn)定對確保小凈距隧道施工安全有重要意義。因此，龍興嶺隧道的設(shè)計中采取小導(dǎo)管注漿加固的方式對中夾巖進(jìn)行了加固，加固方案示意見圖3。施工過程中，對K0+833斷面中夾巖水平位移進(jìn)行跟蹤量測，以探討淺埋條件下小凈距隧道中夾巖的水平位移變化規(guī)律。

用戶力是指促進(jìn)消費升級不僅僅在于技術(shù)和生活層面，也不僅僅是財富和資產(chǎn)的多寡，更多的是幸福感、意義感、價值感等能否形成真正的統(tǒng)一。場景時代用戶有四大特征：首先，對高尚事物的追求與感動；其次，對社群文化充滿專注和自信；再次，較高的人文素養(yǎng)與審美能力；此外，明確的社交態(tài)度與道德水準(zhǔn)。

圖3 主洞中夾巖加固方案示意

2.1 測斜孔布置

在左輔洞、左主洞、右左洞、右輔洞之間的中夾巖內(nèi)依次布設(shè)3個測斜孔(CX01，CX02，CX03)，見圖2。其中CX01布設(shè)在左主洞K0+835里程處，CX03布設(shè)在右主洞K0+831里程處，位于主洞外側(cè)中夾巖；CX02布設(shè)在左右主洞K0+833里程處，位于主洞內(nèi)側(cè)中夾巖。測斜孔的埋設(shè)安裝過程包括以下4大步驟，操作現(xiàn)場圖片見圖4。

①鉆孔，在選定的里程位置進(jìn)行鉆孔，孔徑110 mm，鉆孔鉛直度偏差小于±1°，鉆孔深度比測斜管設(shè)計深度大10%左右；②接管，在地表將測斜管用專用束節(jié)連接好，并對接縫處進(jìn)行密封處理，保證導(dǎo)向槽嚴(yán)格對正，不得偏扭；③埋設(shè)，將封底蓋的測斜管插入鉆孔內(nèi)，注意使2對導(dǎo)槽分別平行和垂直預(yù)計位移主方向，同時向測斜管內(nèi)注入清水以減小鉆孔內(nèi)水或泥漿產(chǎn)生的浮力；④封孔，測斜管插入預(yù)定深度后，將測斜管與鉆孔間空隙用細(xì)砂回填充實。

圖4 測斜孔的埋設(shè)與測量

2.2 測斜數(shù)據(jù)采集

進(jìn)行測斜數(shù)據(jù)采集前，用清水將測斜管內(nèi)沖刷干凈，并用模擬探頭進(jìn)行試孔檢查；正式數(shù)據(jù)采集包括以下3大步驟。

1) 將探頭導(dǎo)輪卡置在測斜管滑槽內(nèi)，輕輕將探頭放入測斜導(dǎo)管中，放松電纜使探頭滑至孔底，記下深度標(biāo)志；將探頭停置在孔底約3 min，使其溫度與管內(nèi)基本一致。

2) 將探頭輕輕拉起，利用電纜線深度標(biāo)志每隔0.5 m進(jìn)行一次測讀(注意須等待電壓值穩(wěn)定后才可進(jìn)行讀數(shù))；直至將探頭全部拉出。

3) 將探頭調(diào)轉(zhuǎn)180°重新放入測斜管，重復(fù)上述步驟，在相同深度標(biāo)志處進(jìn)行反方向測讀；采用正反方向測讀可抵消探頭傳感器零漂及軸對準(zhǔn)所造成的誤差。

2.3 測斜數(shù)據(jù)整理

2.3.1 原始數(shù)據(jù)

當(dāng)被測土體產(chǎn)生變形時，測斜管軸線產(chǎn)生撓度，用探頭感知測斜管各段的傾角，每一測段的傾角都應(yīng)進(jìn)行正反方向2次測讀，并對2次數(shù)據(jù)進(jìn)行式(1)的計算。

(1)

式中：Δεxi為X方向第i段正反測讀傾角之差的50%，當(dāng)Δεxi>0時，表示向X軸正向傾斜，反之，表示向X軸負(fù)向傾斜。

2.3.2 累加位移值

一般情況下，可測斜管底部作為水位移觀測的基準(zhǔn)點，各深度處測斜管的水平位移可由式(2)確定。

(2)

式中：X0為基準(zhǔn)點的水平位移，通常取0；i為各深度處測點的序號，i=1,2,…；f為測點間距，通常為0.5 m。

2.3.3 累計位移值

(3)

3 中夾巖變形的規(guī)律分析

3.1 施工進(jìn)度概述

左主洞先行，右主洞滯后約10 m，左右主洞均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。選取2019年8月19日-9月8日的左右主洞開挖時間記錄(見表1)，確定雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖過程。由于左右輔洞已先行開挖至影響范圍外，故輔洞開挖對中夾巖測斜變形的影響文中不予考慮。

表1 左右主洞開挖時間表

3.2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

選取CX01，CX02，CX03 3個測孔在2019年8月10日-9月8日的數(shù)據(jù)，繪制中夾巖各深度處累加位移值和累計位移值的變化曲線，見圖5～圖7。其中，左右主洞隧道的埋置深度約為地表以下9～18 m。

圖5 中夾巖水平變形規(guī)律(CX01)

圖6 中夾巖水平變形規(guī)律(CX02)

圖7 中夾巖水平變形規(guī)律(CX03)

3.2.1 測斜孔CX01數(shù)據(jù)分析

由圖5a)可知，CX01測孔的深度累加位移曲線呈“V”字形。8月21日之前，未開挖至測孔所在斷面(K0+835)，該測孔的數(shù)據(jù)在-1～1 mm之間呈鐘擺狀變化；8月21日，左主洞開挖至該斷面后，中夾巖發(fā)生右向偏移，并在8月27日達(dá)到最大值4.45 mm；之后隨著開挖面的遠(yuǎn)離，累加位移值往左方向回彈并逐漸穩(wěn)定在-1～1 mm范圍內(nèi)波動。

由圖5b)可知，CX01測孔的時間累計位移曲線呈“D”字形，整體曲線在5～9 m深度位置，呈右向鼓起的變化趨勢，其他深度位置基本在-1～1 mm之間輕微變化。需要說明的是，最大累計位移并非發(fā)生在主洞隧道的相應(yīng)埋深處。隧道埋深處地層為中風(fēng)化凝灰?guī)r，而其上方約5 m范圍內(nèi)的地層主要為較軟的砂土狀或碎塊狀的強風(fēng)化凝灰?guī)r，該深度范圍內(nèi)地層易受開挖影響，向右側(cè)產(chǎn)生較大的水平變形。

3.2.2 測斜孔CX02數(shù)據(jù)分析

由圖6a)可知，CX02測孔深度累加位移曲線呈“V”字形。8月19日，左主洞開挖至測孔所在斷面(K0+833)，中夾巖發(fā)生左向偏移，并在8月27日達(dá)到最大值-2.88 mm；之后隨著右主洞掌子面推進(jìn)，累加位移值往右方向回彈并逐漸穩(wěn)定在±0 mm左右。

由圖6b)可知，由于左右主洞基本沿內(nèi)側(cè)中夾巖對稱開挖，二者掌子面距離不超過10 m，所以CX02測孔處中夾巖的偏移未表現(xiàn)出明顯的方向性。

3.2.3 測斜孔CX03數(shù)據(jù)分析

CX03測孔的水平變形規(guī)律整體與CX01測孔類似。其深度累加位移曲線表現(xiàn)為，右主洞開挖后，發(fā)生左向偏移，最大值為-5.32 mm；時間累計位移曲線在4～9 m深度位置，呈現(xiàn)左向鼓起的變化趨勢。

4 結(jié)論

1) 外側(cè)中夾巖的深度累加位移曲線呈現(xiàn)“V”字形，隨著掌子面推進(jìn)，先發(fā)生朝向開挖隧道側(cè)的水平偏移，開挖至該斷面時，累加位移值達(dá)到最大值(約為5 mm)；開挖過該斷面后，累加位移值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。總體上說，小導(dǎo)管注漿加固方案能有效控制中夾巖的變形，保障龍興嶺隧道的施工安全。

2) 外側(cè)中夾巖的時間累計位移曲線呈現(xiàn)“D”字形，受上軟下硬地層影響，曲線在隧道上方向開挖隧道側(cè)鼓起。

3) 內(nèi)側(cè)中夾巖，中夾巖先發(fā)生朝向先行洞側(cè)的偏移，后隨著后行洞掌子面的推進(jìn)產(chǎn)生回彈并趨于穩(wěn)定。

4) 中夾巖變形是時空效應(yīng)共同作用的結(jié)果，開挖過程中工作面產(chǎn)生明顯影響范圍一般為前后8 m，隨著掌子面的推進(jìn)，中夾巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。