山嶺隧道原位擴建工程監測數據分析研究

毛祚財

(福州市城鄉建設發展有限公司 福建福州 350003)

0 引言

近年來，隨著國內公路交通運輸量的大幅增加，部分早年修建的公路隧道已經不能滿足日益增長的的交通運量需求。與此同時，鑒于當時施工技術和管理水平的限制，造成了既有隧道常存在襯砌背后空洞和不密實、襯砌材料的劣化和開裂等病害[1]。因此，對現有公路進行擴建改造是解決問題的關鍵[2]。

原位隧道擴建是指在原有隧道基礎上將隧道斷面擴大，從而形成跨度更大的隧道[3]。相對于常規的隧道開挖而言，原位擴建隧道會改變既有隧道的結構形式，不僅打破了既有隧道已經形成的應力平衡狀態，而且隧道斷面的擴大將增大應力集中的程度，對既有隧道擴挖后的穩定性帶來新的挑戰，同時擴建施工也會對既有隧道圍巖位移和力學特性造成不同程度的改變[4]。

在原位隧道擴建工程方面，國內外已進行了初步的研究，國內也已有隧道原位擴建的成功案例[5-9]。如：丘禮球[8]等依托福建漳龍高速公路后祠隧道新(擴)建工程，通過現場監測和三維數值仿真模型，研究拱頂沉降、洞周收斂、以及隧道開挖和支護后圍巖穩定性的變化規律；鐘元慶[4]等依托同一工程,分別對隧道圍巖及支護結構應力、松動圈及應力場和鄰近既有隧道爆破振動進行了現場監測和研究，從而總結了三臺階法施工對原位擴建隧道結構及鄰近既有隧道擾動的影響規律；鄭宏利[9]結合大帽山隧道擴建工程的實踐經驗，闡明了CD工法開挖時圍巖內部周邊收斂的變化趨勢、特點及位移場,相鄰導洞施工時的相互影響,圍巖與支護間的相互調整變形機制。

上述研究為隧道改擴建施工提供了基礎參考。總的來說，目前國內外對于隧道擴建技術和理論的研究呈逐步增多的態勢，但對于擴建過程中隧道變形的現場實測的研究還相對比較少。基此，本文結合福州馬尾隧道北洞的施工過程和現場監測成果，研究分析不同開挖方式和開挖階段中隧道圍巖變形和支護結構內力的變化特點，擬為隧道開挖方案和支護體系的優化提供依據，以期作為類似工程的設計和施工參考。

1 工程背景及開挖方式

既有馬尾隧道位于福州市福馬路東端，貫穿馬限山，為整體式襯砌結構，建成至今已有28年之久。由于材料老化及當時設計施工技術水平有限等原因，隧道襯砌產生大量裂紋，通過檢測發現襯砌壁后存在大量空洞。本次改造將對隧道進行原位拓寬，把原單洞2車道分別拓寬為單洞4車道+1個人行道。隧道長968.6m，拓寬后凈寬16.07m，拱高9.054m，含仰拱拱高11.44m。

場地地質條件為剝蝕殘丘地貌，場地穩定性評價為較穩定場地。該隧道所處地形起伏較大，最大埋深約126m，洞口段埋深約30m。北洞洞口由外到內分別為Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級圍巖，北洞NK17+640.717-NK17+835.0、NK18+500.0-NK18+605.093為Ⅳ級圍巖，其余為Ⅱ級、Ⅲ級圍巖。隧道施工順序如下：①拆除上臺階左側既有隧道襯砌，開挖上臺階左側；②上臺階左側初支施工；③拆除上臺階右側既有隧道襯砌，開挖上臺階右側；④施工上臺階右側初支；⑤開挖下臺階左側，拆除下臺階左側既有隧道路面及襯砌；⑥下臺階左側初支施工⑦開挖下臺階右側；⑧下臺階右側初支施工；⑨下臺階預留核心土層開挖；⑩仰拱開挖；下臺階仰拱初支施工；二襯施工。

施工工序示意如圖1所示。對于Ⅳ級圍巖段，施工過程中NK17+785-NK17+835、NK18+500-NK18+572段上臺階為同時開挖，其他部分上臺階左右側開挖時間大致相隔約一周。分別在左右開挖段取一典型斷面A，上臺階同時開挖段取一典型斷面B。

圖1 施工工序示意圖

2 圍巖變形監測分析

根據公路隧道設計和施工規范的基本要求[10]，結合隧道原位擴建和特大斷面隧道開挖的施工工藝以及地質情況，具體包括拱頂沉降、周邊收斂、圍巖體內位移、圍巖壓力、噴射混凝土應力、鋼支撐內力、錨桿軸力、初支與二襯支護間壓力、模筑二襯應力等。

在馬尾隧道施工過程，監測小組獲得了大量監測數據。本文重點以隧道進出口Ⅳ級圍巖段為例，簡要介紹監測成果，并進行相關分析研究。

該項目對隧道拱頂下沉、周邊收斂以及圍巖體內位移進行了較為密集的監測，其中在NK17-692-NK17+835、NK18+500-NK18+572段每10m設置一個監測斷面，開展隧道圍巖變形實時監測，并獲得了豐富的數據。為了分析隧道擴挖后圍巖變形隨時間的變化規律，以及各開挖階段對圍巖變形的影響，選取了Ⅳ級圍巖段中的幾個具有代表性的斷面，并將這些斷面的監測數據繪制成若干相關曲線圖，以便分析、比較與研究。隧道斷面上各監測點分布如圖2所示。

圖2 監測點布置示意圖

2.1 拱頂下沉

此次隧道開挖工程采用臺階法進行施工。以A斷面為例。由施工臺賬可知，該斷面右上臺階于2018年11月20日挖通，左上臺階于5天后即11月25日開挖。而下方左右臺階則分別在一個月后，即同年12月25日和12月18日挖通。工況與拱頂下沉變形示意圖如圖3(a)所示，圖中以下沉為正。B斷面上臺階于12月7號挖通，下方左右臺階則在12月22日前后挖通。工況與拱頂下沉變形示意圖如圖3(b)所示。兩個典型斷面沉降速率如圖4(a)、圖4(b)所示。

(a) A斷面

(a) B斷面圖3 上臺階斷面左右側同時開挖拱頂下沉-時間圖

(a) A斷面

(a) B斷面圖4 上臺階斷面左右側同時開挖拱頂沉降速率

不同的施工方案會導致圍巖的力學特性不同。了解圍巖的應力特征有利于確保施工期間圍巖的穩定性[11]，故針對兩個典型斷面進行對比分析。對比分析表明：

(1)兩個斷面在上臺階開挖前后拱頂下沉速率較大，相較而言在下臺階開挖時拱頂下沉速率則不再大幅波動，變形逐漸趨于平穩。可見在隧道原位擴建臺階法施工中，上臺階開挖會引起隧洞較大變形。究其原因，這是由于上臺階開挖通過時會拆除原隧道襯砌，形成了空洞，空洞上方的巖體在自重作用下自然會向下移動，而此時初支和圍巖因沒有充分接觸耦合，沒能充分發揮支護的作用，故，位移較大。而下臺階開挖時支護結構已逐漸成型，原有隧道襯砌拆除后圍巖內力調整已逐漸完成，加之地質條件較好，所以變形逐漸趨于平穩。故，建議在上部開挖階段應加強變形監測，并及時做好支護措施。

(2)如圖3(a)、圖3(b)所示，A斷面拱頂沉降大致穩定在8mm左右，而B斷面拱頂沉降大致穩定在14mm左右，A斷面沉降量約為B斷面的57%。由此可見，同一斷面分左右側開挖可以有效降低隧道拱頂變形量。這主要是因為分開開挖時，左側開挖完成后在右側開挖的同時即可進行支護結構的施工，起到了及時支護防止變形自由發展的作用。這進一步說明了隧道擴建工程中支護結構及時成型的重要性。

(3)左右側分開開挖(A斷面)過程中出現了不對稱變形的現象，而同時開挖斷面(B斷面)變形則有一定的對稱性，與新建隧道相似。這表明在該隧道擴建過程中，既有隧道的存在不是新建隧道變形的主要影響因素。這主要是因為該隧道建成運營時間將近20年，圍巖變形早已穩定，某種程度上講其無異于新建隧道的開挖。

2.2 圍巖體內位移

圍巖體內位移量測的是隧道周邊某點及圍巖內部不同深度各點的位移狀態。在該工程中，圍巖體內位移量測所得結果是量測某一深度圍巖體位置與隧道位置的相對位移，即數值越大說明所測位置圍巖體內位移越小。

為分析隧道開挖后圍巖變形隨時間變化規律，以及不同開挖方式對圍巖體變形的影響，分別將A、B斷面各位置的圍巖體位移監測數據繪制成時間累計位移曲線圖，如圖5(a)、圖5(b)所示。

2.2.1圍巖體內位移變化分析

以A斷面為例，分析圖5(a)。圍巖體內位移變化趨勢大致呈折線式，即先急劇上升至一定值后便不再增長，趨于平緩。其中拱頂處圍巖體內位移值最大，拱腰處次之，邊墻處最小。

圖5(a)上臺階左右側分開開挖(A斷面)圍巖體內位移分析3m處圍巖體內位移可知，圖中左右拱腰處出現了明顯的不對稱位移的現象，左拱腰處相對位移小于右拱腰處，表明左拱腰處圍巖體內產生的位移更大。考慮到該工程中既有隧道恰好位于擴建隧道左側以及既有隧道可能存在的病害，分析認為既有隧道襯砌的老化、脫空使得此處巖體出現較大變形乃至松動現象，而新開挖的右拱腰處則相對較為穩定，從而造成了既有隧道處變形會稍大的現象。

(a) A斷面

(a) B斷面圖5 上臺階左右側同時開挖圍巖體內位移

5m處圍巖體內位移則呈對稱狀，如圖6所示，除右拱腰外，其他位置圍巖體內位移隨圍巖體深度增大而逐漸收斂，可見5m處圍巖體已較為穩定，由此推測隧道擴挖對周邊圍巖影響范圍大致至于此。

圖6 左右同時開挖斷面(B斷面)各位置圍巖體內最終累計位移

2.2.2不同開挖方式對周邊圍巖體內位移的影響

對比圖5(a)與圖5(b)可發現如下現象：

(1)A斷面各位置相對位移均大于B斷面，即A斷面中各位置圍巖體內位移均比B小，與上文提到的拱頂下沉的變化規律相符合。這表明在隧道原位擴建工程中采用臺階施工時，左右側分開開挖能有效地控制周邊圍巖體內位移。

(2)圖5(a)中各位置均出現了不對稱位移，這是斷面左右側分開開挖引發不同位置圍巖體多次擾動所導致。

3 結論

依托福州馬尾隧道原位擴建工程，開展現場動態實時監測，并對監測數據進行整理、分析，主要得出以下結論：

(1)在隧道原位擴建過程，不同的開挖方式會對圍巖變形方式產生不同的影響。其中既有隧道襯砌的拆除會引起隧道圍巖的較大變形，而這也是此類工程中圍巖變形的主要來源。故在此階段應加強監測，及時預警。

(2)在隧道原位擴建工程臺階法施工中，不同的開挖方式會對圍巖變形方式產生不同的影響，其中上臺階開挖時相對于將斷面分為左右側進行開挖，一次性開挖對巖土體擾動較大，繼而會引發隧道與圍巖體更大的變形。從變形控制角度看，先進行既有隧道上部襯砌的拆除和上部土體開挖，可以有效控制變形增長。