小凈距鐵路隧道施工監測與分析

蘇彥軍 SU Yan-jun

（蘭州博文科技學院，蘭州 730101）

0 引言

小凈距隧道夾巖厚度介于分離式隧道與連拱隧道之間，是在地質復雜及路線線型受限路段常采用的結構形式之一，其雙洞間最小凈距Ⅰ類圍巖為1倍的洞寬，Ⅱ類圍巖為1.5倍的洞寬，Ⅲ類圍巖為2倍的洞寬，Ⅳ類圍巖為2.5倍的洞寬，Ⅴ類圍巖為3.5倍的洞寬，Ⅵ類圍巖為4倍的洞寬。也正由于地質的復雜性及左右線隧道施工期間的相互干擾，決定了小凈距隧道在施工期間存在變形超限甚至塌方等諸多的不安全因素，因此，施工監測就成為了施工中一個必不可少的重要環節。

圍繞著小凈距隧道的施工監測，眾多學者也做了大量研究。李曉軍等以重慶海天堡隧道為背景，采用現場監測與數值模擬相結合的方法，對淺埋大斷面小凈距隧道圍巖壓力與復合式襯砌內力的施工響應規律進行了研究。秦偉宏等通過對小凈距隧道施工過程的模擬，得出了不同開挖進尺下的后行洞LDP曲線及拱腰收斂的變化規律。李鵬飛結合監控量測和地質超前預報，分析了隧道圍巖和初期支護穩定性變化規律，并及時有效反饋至設計與施工。但隧道施工中圍巖壓力和變形變化規律與隧道所處地質情況、施工方法等多種因素相關，本文以甘肅省隴南市某小凈距隧道施工監測為基礎，通過現場監控量測與數據回歸分析，尋求該地區小凈距隧道三臺階法施工時，拱頂下沉和凈空收斂的變化規律，用以優化施工方案并為同類型隧道施工提供參考。

1 項目概況

本項目位置處于甘肅省隴南市，隧道長9100m，最大埋深832m，監測段圍巖等級為Ⅴ級，洞身經過地層主要是碎裂巖、極破碎，工點范圍內有斷層、褶皺，預測單位正常涌水量為413m3/d·km。施工中采用三臺階開挖法，臺階長度為3m，每個循環進尺劃分為7個施工步，按順序依次開挖，隧道斷面尺寸及進尺施工步劃分如圖1所示。

圖1 隧道斷及進尺施工步劃分

2 監測項目及測點位置

隧道監控量測項目可以分為必測和選測兩部分，必測項目是保證隧道安全施工的基本前提和保障，主要包括了洞內外觀察、拱頂下沉和凈空變化等與變形相關的項目；選測項目主要針對特殊地質或設計文件規定的項目，包括了圍巖壓力、初支與二襯間接觸力、錨桿軸力、噴砼內力及二襯內力等與內力相關的項目。本文在右線隧道試驗段內布置3個監測斷面，相鄰間距5m，并對拱頂下沉和凈空變化進行監測與分析，拱頂下沉在斷面拱頂布置一個測點，凈空變化在同一斷面布置三條水平測線，位置布置在拱腰、中墻和拱腳三處（如圖2），分別監測上臺階、中臺階和下臺階的水平收斂。各測點布置在同一斷面內，監測頻率按測點到掌子面的距離（表1）與測點變形速率（表2）中較高的頻率選取。

表1 距離與監測頻率表

表2 速率與監測頻率表

圖2 變形監測位置

3 變形數據的整理與分析

圍巖變形的大小與速率直接反應了圍巖的穩定性，是隧道施工監測中的必測項，需要在初期支護之后及時埋設測點并按規定的監測頻率進行實時的監測。本次監測的拱頂下沉值、水平收斂值及拱頂下沉速率與水平收斂速率分別如圖3-圖6所示。

圖3 拱頂下沉與水平收斂變化圖

圖6 速率對比圖

由監測結果可以看出，拱頂下沉和凈空變化最終都處于收斂狀態，其中拱頂下沉變化趨勢可分為四個階段，即初始變化階段、急劇增長階段、緩慢增長階段和基本穩定階段。初始變化階段為從開始監測到第6施工步，該階段拱頂下沉較緩慢；急劇增長階段出現在第7-21施工步，該階段拱頂下沉從5mm急劇增長到了126mm；緩慢增長階段出現在第22-39施工步，該階段拱頂下沉逐漸收斂；第40施工步之后為基本穩定階段，拱頂下沉基本不在增長，穩定后累計拱頂下沉為171mm。這期間在第14-18施工步期間增長速率最快，是拱頂下沉發生的主要時間段。

圖4 拱頂下沉速率與上臺階收斂速率圖

圖5 中臺階與下臺階收斂速率圖

凈空水平收斂變化趨勢可分為三個階段，即初始變化階段、急劇增長階段和基本穩定階段。初始變化階段和拱頂下沉監測結果一致，都為從開始監測到第6施工步，該階段各臺階水平收斂緩慢；急劇增長階段上臺階出現在第7-25施工步、中臺階出現在第7-29施工步、下臺階出現在第7-30施工步，該階段水平收斂急劇增長；之后各自水平收斂基本穩定。這期間上臺階累計水平收斂338mm，中臺階累計水平收斂最大，值為387mm，下臺階累計水平收斂最小，值為253mm；收斂速率最快的時間段上臺階在第14-21施工步、中臺階在第14-22施工步、下臺階在第14-28施工步。

4 左右線掌子面間距對圍巖變形的影響

小凈距隧道圍巖的最終變形量及變形速率也與左右線掌子面間距有關，其關系可在試驗段監測數據的基礎上結合有限元模擬進行研究，本次結合現場施工情況選取20m、30m和40m三個掌子面間距參數作為分析對象，結合實際監測與模擬，得出拱頂下沉和下臺階水平收斂對比結果如圖7和圖8所示。

圖7 不同掌子面間距拱頂下沉對比圖

圖8 不同掌子面間距下臺階水平收斂對比圖

從圖中可以看出，拱頂下沉最終值在掌子面間距分別為20m、30m和40m時變化不大，但隨著掌子面間距增大，拱頂下沉速率速率峰值逐漸靠后，有利于初期支護和圍巖的穩定。隨著掌子面間距的增大，下臺階水平收斂速率基本相同，但最終收斂值間距為40m時最小，30m時次之，20m時最大，上臺階和中臺階水平收斂與下臺階基本相似，本文不再贅述。

5 結論

本文結合甘肅省隴南市的某鐵路隧道施工監測工作，重點以圍巖變形作為監測對象，用圍巖變形評價圍巖的穩定性，尋找小凈距隧道采用三臺階法施工時圍巖的變形規律，為安全作業及二次襯砌施工提供指導，并得出以下結論：

①采用三臺階開挖法施工時，在初始階段拱頂下沉與水平收斂在開挖仰拱前變化較小，說明圍巖整體有一個自穩階段，時間出現在每次進尺中的仰拱開挖之前，仰拱開挖后拱頂下沉和水平收斂開始急劇增長。

②拱頂下沉值主要發生在第二至第三次進尺期間，水平收斂值主要發生在第二至第四次進尺期間，其發展速率基本和施工順序一致，拱頂下沉和上臺階水平收斂速率峰值較靠前，主要在第三次進尺期間，中臺階和下臺階水平收斂速率峰值較靠后，主要在第四次進尺期間。

③圖3至圖6中位移及速率變化節點大致為7的倍數，而如圖1施工步的劃分第7步恰好為仰拱施工，說明仰拱開挖對圍巖穩定性有較大影響。

④拱頂下沉在第三次進尺后趨于穩定，累計下沉量為171mm，水平收斂在第四次進尺后趨于穩定，其中中臺階水平收斂值最大，值為387mm，上臺階次之、下臺階最小。

⑤左右線掌子面間距增大對小凈距隧道變形控制有利，但綜合考慮安全性與經濟性兩個因素，該地質條件下掌子面間距控制在40m左右時效果較好。

本文基于三臺階施工法、每次進尺3m、左右線掌子面距離40m的施工監測數值，通過圍巖變形變化規律監測圍巖應力變化規律，為隧道施工與支護提供參數，保證隧道施工的安全性與經濟性。但小凈距隧道施工圍巖穩定性受施工方法、左右線掌子面距離、左右線凈距、一次進尺長度等多種因素的影響，為更全面為施工提供監測數據，也可將圍巖壓力、初支與二襯間接觸力、錨桿軸力、噴砼內力及二襯內力等選測項目一起納入施工監測工作，為隧道安全、經濟施工提供更加科學的依據。