現場監控量測的立體交叉隧道施工穩定性研究

何 軍 李夢瑤 申小軍 王樹民 王華東

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2.長安大學，陜西 西安 710000； 3.中交一公局集團有限公司，北京 100020)

1 概述

隨著隧道建設數量和規模的不斷加大，新建公路隧道穿越既有公路隧道的空間立體交叉式施工案例隨之出現[1,2]。由于立體交叉隧道支護結構內力與圍巖間的接觸應力受多種因素的影響，變化規律復雜，且新建隧道開挖對圍巖造成多次擾動，常會引發冒頂、塌陷等安全事故的產生，嚴重影響隧道施工進度。為此國內外學者開展了深入研究[3-5]，許慶君等[6]在單向El地震波作用下對正交型立體交叉隧道中上跨和下穿隧道環向及軸向應變峰值進行了分析研究；陳濤[7]結合深圳地鐵8號線工程,研究小間距地鐵隧道上穿施工對既有結構影響并進行安全性評價，得出新建隧道附加應力沿既有隧道軸線方向近似服從高斯分布；白延紅等[8]以西安高新區創業新大陸地下通道工程為背景，通過有限元數值模擬分析,研究穿越地鐵段既有支護加固體系的可行性；許有俊等[9]推導了新建地鐵上穿施工引起的既有隧道結構的卸荷附加應力系數解析解,利用Maple軟件對關鍵卸荷參數與附加應力系數的關系進行了研究；張曉光等[10]基于ABAQUS有限元軟件建立了隧道下穿地鐵線路的三維模型,認為設置合理的掌子面支護力以及注漿壓力是保證施工開挖以及既有線路安全的關鍵。

本項目選取伏牛山特長公路隧道1號斜井1號聯絡風道上跨主洞右線段進行現場監測試驗，運用統計學的方法，從時間演化和空間分布兩方面對小凈距立體交叉隧道施工圍巖—支護結構穩定性進行研究，以期為今后類似工程施工與設計提供參考。

2 工程背景

2.1 伏牛山隧道1號斜井概況

伏牛山隧道1號斜井，全長1 150 m，凈寬8.8 m，凈高7.5 m。共設聯絡通道風道3處，其中1號聯絡風道如圖1所示，起始點位于1號斜井XJ1K0+110.0處，水平上跨主隧道右洞于K84+838.0里程，與主隧道左洞連接設立排風交叉口，交叉口樁號ZK84+888.0。1號聯絡風道跨越主隧道右線上跨段施工分兩階段進行，首先進行爬坡段施工，后轉至水平段上跨，其中爬坡段底板距主隧道右線最近距離僅約2 m。

2.2 工程地質條件

3 監測方案

3.1 監測內容

根據JTG F60—2009公路隧道施工技術規范、JTG/T D70—2010公路隧道設計細則中關于監控量測實施的要求，結合伏牛山特長公路隧道采用的復合式襯砌施工情況，本監測采用必測項目(洞內外觀察、拱頂及周邊收斂監測)+選測項目(圍巖應力觀測、支護應力觀測)監測相結合的形式。

3.2 監測元器件及原理

3.2.1監測儀器選擇

考慮到伏牛山特長公路隧道施工工序緊湊，大型機械設備往返頻繁以及洞內陰暗潮濕的環境特點，選用的監測元件應滿足輸出信號穩定、抗干擾能力好的特點，可以在惡劣環境中進行有效監測，經綜合比較分析，決定選用Lecia全站儀、JSS30A型數顯收斂計、振弦式土壓力盒、振弦式應變計分別對隧道位移情況、圍巖壓力及初期支護混凝土應變情況進行監測，儀器參數及用途如表1所示。

3.2.2振弦式傳感器原理

鋼弦自振頻率與張緊力的大小有關，在振弦幾何尺寸確定后，振弦振動頻率的變化量，即可表征受力的大小，其通用計算公式如下:

(1)

表1 監控量測儀器型號及參數

3.3 布設方法

選擇伏牛山隧道1號斜井1號風道上跨右洞段進行監測，共布設3個斷面，如圖2所示，斷面間隔5 m，各斷面拱頂、左右拱腰、左右邊墻位置分別布設相應的監測點。

第一步，鉆爆開挖掌子面至相應里程后，進行拱頂沉降監測點及周邊收斂監測點的布設，分別于拱頂、左右拱腰、邊墻位置鉆孔，在孔內埋設膨脹彎鉤，其中拱頂彎鉤一側粘貼帶有中心十字的反光貼片；

第二步，在初支拱架布設完畢后埋設土壓力盒。為使土壓力盒表面與基巖新鮮面保持垂直接觸，將傳感器放入塑封袋中，穿孔導出電纜線后，填充細砂料，填充過程中不斷用手拍打沙袋使沙袋密實且使土壓力傳感器置于中間位置，其上下面與細砂接觸良好。用透明膠帶包裹加固裝有土壓力盒的沙袋后，利用兩根12號鐵絲繞過拱架把土壓力盒緊固，記錄各部位土壓力盒編號并沿結構體引出電纜測線；

第三步，埋設應變計。在預埋設位置鋼拱架內、外緣表面噴撒鋼筋除銹劑并用砂紙打磨光滑，在埋入式應變計兩端加裝焊接固定臺座、加裝薄皮鐵盒保護罩后，通過焊槍將埋入式應變計兩端固定臺座焊接在設計位置，記錄內外應變計的編號，沿結構體引出電纜測線；

第四步，土壓力盒、埋入式應變計在混凝土噴射覆蓋24 h后，被測結構物無外界因素影響下，讀取數據，每個部位應讀取5組數據，若數據波動在2 Hz以內，則取其平均值作為安裝初始值記錄。拱頂及周邊收斂在初始布設后分別采用Lecia全站儀及數顯式收斂計進行測讀，記錄其初始值，采用相對沉降/收斂的方法進行監測(見圖3)。

3.4 監測頻率

在隧道監控量測中，監測頻率要滿足工程監測工作實際需要，根據不同的管理等級而不同。當監測項目的累計變化值接近或超過報警值時，應加密監測；根據JTG F60—2009公路隧道施工技術規范規定，伏牛山1號斜井立體交叉洞室的監測頻率如表2所示。

表2 各監控量測項目觀測頻率

4 監測數據分析

伏牛山隧道1號斜井1號排風口施工受坡度影響，為方便施工期間的通電、排水采用倒序施工法，分兩階段完成，首先從已開挖完畢的主隧道左洞ZK84+888里程右邊墻擴挖排風口后斜向上爬坡至與主隧道右線拱頂左上方時，隨后轉換水平段施工，上跨通過既有主隧道右線。本監測項目于2020年3月15日主隧道右線K84+837里程開挖完成后，進行相關監測元件安裝。原計劃1個月后進行上跨段施工，后因工序調整，爬坡段實際施工日期為2020年6月13日～2020年6月28日，水平段上跨施工時間段為2020年6月28日～2020年7月3日。受篇幅限制，僅介紹最具代表性的K84+837斷面(監測斷面2)位移、圍巖壓力及混凝土應變特征。

4.1 位移分析

拱頂及周邊收斂位移情況如圖4所示，監測點初始埋設階段，受地應力重分布調整的影響，位移變化速率較大，在斷面2開挖后1 d～10 d內拱頂位移處于急劇沉降階段。10 d～15 d時圍巖位移速率逐漸緩和，20 d左右時已基本處于穩定狀態。隨著上跨段開挖，拱頂先產生較小沉降，沉降值為1.2 mm，后拱頂位移急劇上升，單日最大上升可達1.6 mm，隨著上跨段施工結束，相對上跨段開挖前的穩定狀態變化值為-3.6 mm。

拱腰及邊墻水平收斂位移在斷面2開挖后1 d～15 d內變化較快，15 d～20 d內速率減緩，20 d后拱腰、邊墻水平位移基本趨于穩定狀態。隨著爬坡段的開挖，邊墻水平位移穩定狀態最先破壞，產生背離洞徑方向的位移，位移值大小為-0.7 mm。隨著爬坡高度的升高，拱腰隨之產生背離洞徑方向的急劇位移，當掌子面轉至水平段施工后，位移速率減緩，期間累計位移-6.2 mm。究其原因可能是監測斷面左側爬坡段的開挖產生新的臨空面，移除了原有的圍巖限制，圍巖應力發生重分布，斷面2左側壁圍巖受偏壓作用的影響，產生背離隧道洞徑方向的位移，且左拱腰監測點與爬坡段底板直線距離最近僅2.1 m，故其位移受1號風道上跨段開挖影響最為顯著。

4.2 圍巖壓力分析

4.2.1圍巖荷載隨時間的變化規律

伏牛山隧道右線監測斷面2各部位圍巖壓力監測結果如圖5所示，分析可知斷面開挖完畢后，圍巖壓力逐漸上升，15 d～20 d時，斷面各部位圍巖壓力已基本穩定。2020年6月13日爬坡段動工，除左邊墻圍巖壓力明顯增大外，其余各部位幾乎不受影響。至6月20日爬坡段施工至中部位置，各部位圍巖壓力發生顯著變化，其中左拱腰圍巖壓力急劇增長，增長速率最大值可達0.04 MPa/d，截至7月3日上跨施工完成左拱腰圍巖壓力累計增長0.27 MPa，在監測過程中發現斷面左拱腰附近發生初支混凝土剝落及部分鋼拱架變形現象，初步分析原因為開挖掌子面與左拱腰距離過近，且鉆爆開挖裝藥量控制不足引發強震，造成初期支護受損，從圍巖穩定性角度分析尚處于可控的穩定狀態。上跨段施工過程中，拱頂圍巖壓力增長呈現先慢后快的特點，當上跨至監測斷面拱頂正上方時，拱頂圍巖壓力達到峰值0.35 MPa；右拱腰圍巖壓力呈現較小的特點，上跨段開挖期間減小值為0.15 MPa，分析原因可能是隧道受偏壓效應影響，斷面左側受壓右側受拉，這與隧道位移監測結果相印證。上跨段開挖完成后，圍巖壓力在5 d左右快速恢復穩定。

4.2.2圍巖荷載在空間上的分布規律

為直觀的研究圍巖壓力在監測斷面的分布規律，從空間角度出發，繪制了如圖6所示的圍巖壓力空間二維分布圖，可以看出上跨段開挖前，斷面整體受壓，圍巖應力沿拱頂中線呈對稱分布，圍巖壓力大小拱頂>拱腰>邊墻。上跨段開挖圍巖發生二次擾動，應力重分布，穩定后監測斷面圍巖壓力分布呈現拱頂中線左側遠大于右側的偏心受壓的特征，圍巖荷載大小排序變為左拱腰>拱頂>左邊墻>右邊墻>右拱腰，尚未產生拉應力，隧道圍巖仍處于可控的穩定狀態。

4.3 初期支護—混凝土應變分析

通過對監測斷面2所埋設的應變計監測數據進行分析，得到初期支護混凝土應變數據如圖7所示，可以看出監測元件初始埋設階段，混凝土應變上升迅速，直至監測20 d左右時，混凝土應變趨于穩定，各監測點均為壓應變，應變值介于112.3 με～173.8 με，同圍巖壓力分布情況相同，呈現對稱分布的特征。隨著交叉段上跨開挖，拱頂、左拱腰、左邊墻混凝土應變發生顯著增加，其中左拱腰位置混凝土應變增長速率最快，2020年6月22日增長至212.3 με，后因鉆爆開挖引發強震，左拱腰監測點位破壞。右拱腰及邊墻位置混凝土應變監測數據迅速減小，且減小速率右拱腰大于右邊墻，開挖期間右拱腰混凝土應變變化量-97.5 με。上跨段開挖完成后，斷面混凝土應變值在40 με～226 με以內。

5 結語

根據伏牛山隧道1號斜井1號風道上跨主隧道右線現場監控量測數據結果分析可知：1)初次開挖后，監測斷面隧道位移監測數據增長迅速，至20 d時基本處于穩定狀態。上跨段開挖后，地應力發生二次重分布，既有隧道拱頂上浮，拱腰、邊墻產生背離洞徑方向的擴張，上跨段通過后5 d各點位移監測數據即處于穩定狀態。2)上跨段的開挖使得圍巖壓力由原有的沿隧道拱頂中線對稱分布，轉變為左側遠大于右側的偏壓分布，且左拱腰位置出現混凝土剝落及拱架變形現象，后續有類似工程施工時應嚴格控制鉆爆開挖單次裝藥量，采取多臺階弱爆破施工方法，且在進行支護設計時應采取偏壓加固。3)混凝土應變趨勢同圍巖壓力變化趨勢相同，呈現左增右減的特點，左拱腰位置急劇增加至監測儀器損壞，上跨期間右拱腰混凝土應變變化量-97.5 με，交叉段開挖完成，斷面混凝土應變值在40 με～226 με以內。4)既有隧道施作二次襯砌的最佳時間為交叉段上跨開挖完成5 d后，此時隧道圍巖位移、壓力、初支混凝土應變已處于穩定狀態。