隧道扩挖围岩与初期支护间的压力监测分析

李海光

（金华市公路管理局，浙江 金华 321013）

隧道扩挖围岩与初期支护间的压力监测分析

李海光

（金华市公路管理局，浙江 金华 321013）

为了研究既有公路隧道扩挖时围岩与初期支护间的相互作用规律，在隧道改造工程测试断面中，对隧道扩挖围岩与初期支护间的压力进行了监测，并对监测数据进行了详细分析。监测分析结果表明：随着隧道扩挖掌子面往前推移，围岩与初期支护间的土压力逐渐增加，并总体上逐渐趋于稳定；隧道Ⅳ级围岩段的围岩压力总体上大于隧道Ⅲ级围岩段的围岩压力。

隧道扩挖；围岩；初期支护；压力

0 引 言

农村公路因早年建设资金短缺、车流量小、交通组织简单，导致一些断面尺寸小、支护措施简单（或无支护）的公路隧道出现渗漏水、掉块、支护开裂等病害，给交通运营安全带来了隐患。为确保人民群众的安全出行，急需对此类既有农村公路隧道进行改造。

隧道改造时，隧道扩挖围岩与初期支护的相互作用，常常成为控制工程投资、工期和施工安全的重要因素；因此，研究隧道扩挖围岩与初期支护间的相互作用，对于指导既有隧道施工、提高工程质量、确保施工安全、降低工程费用等具有非常重要的现实意义［1］。

1 工程概况

某隧道位于农村公路，隧道全长402m，起止里程为K6＋958～K7＋360。原有隧道大部分为无支护的毛洞，局部段采用浆砌块石衬砌支护，支护段总长约25m。隧道洞身实际限界净高度约4m，实际宽度约4.2m，车辆交汇困难。修建时受各方面条件限制，隧道开挖断面不规则，且大都无衬砌支护，存在严重漏水、掉块甚至局部塌方等病害。根据公路隧道现行的相关规范，为保障交通安全、提高通行能力，需对隧道进行改造。按四级公路单洞隧道双向通行设计；隧道全长按直线布置，设计纵坡坡度3%，车速20km·h－1。隧道净宽7.0m，行车道净空高度4.5m，隧道断面净空面积42.03m2。主要采用复合衬砌支护，局部段采用单层衬砌。通过扩挖方式增加原有断面的净空至设计要求值，在此基础上施做初期衬砌、防排水层及二次衬砌等，拆除原有洞门，施做新断面明洞和洞门、管线沟槽及路面结构层［2－5］。隧道扩挖前后断面轮廓对比如图1所示。

图1 隧道扩挖前后断面轮廓对比

2 隧道扩挖方案

由于该隧道已开挖运营20多年，存在严重漏水、时有掉块甚至局部塌方等病害，为确保施工安全，采用全封闭施工。该隧道既有断面平均面积为20.5m2，改造设计开挖断面平均面积为56.8m2，断面扩挖平均面积为36.3m2。对既有断面与扩挖后断面进行对比分析，施工主要为环形扩挖，两侧的开挖量大于拱顶开挖量。考虑到隧道围岩相对较好，隧道扩挖施工方案借鉴新修隧道的施工方案，采用光面爆破技术。

综合既有隧道建设年代较久远、围岩依时变形、环形扩挖存在对称结构和不对称结构等特性，在隧道开挖光面爆破过程中，需要掌握围岩结构特性，观察掌子面围岩情况，控制隧道的超欠挖，保证开挖轮廓线的圆顺。针对该隧道的实际情况扩挖，严格控制周边炮眼单孔装药量，控制周边眼炮布置和不对称环形结构的爆破周边眼，控制炮眼单孔深度、位置、方位、布置方式，根据现场围岩结构变化调整光面爆破参数，确保光面爆破的整体效果。

3 扩挖围岩与初期支护间的压力监测

3.1 监测目的

（1）监测隧道扩挖时围岩与初期支护间的压力变化规律，了解初期支护对围岩的支护效果，掌握围岩－初期支护体系的工作动态，利用测试结果优化设计，指导施工。

（2）对比扩挖隧道不同地质类型条件下围岩与初期支护间压力的大小，判别结构的安全性。

（3）分析扩挖隧道的围岩－支护结构受力特点，为扩挖隧道设计合理的支护参数提供数据参考。

3.2 监测方法

选择测试断面的位置，沿隧道周边在围岩与初期支护之间埋设压力盒，每个断面在边墙、拱肩及拱顶部位共设置5个测点。

3.3 测点布置

在里程号 K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137附近布置4个围岩压力监测断面。压力盒埋设要求接触面紧密牢固，不得损坏压力盒及引线。为保证接触良好，岩体与土压力计之间垫一层土工布，然后通过膨胀螺栓将其固定。围岩与初期支护间的压力盒应在距开挖面1～3m范围内安设，并在工作面开挖后24h内或下次开挖前测取初读数据。在测量过程中应及时处理数据，绘制接触压力－时间曲线散点图和接触压力－与开挖面距离曲线散点图，预测支护结构所承受的接触压力值，判定其安全状态。

3.4 监测频率

当监测断面与开挖面的距离s＜15m时，监测频率为每天1次；当15m＜s＜40m时，监测频率为每2天1次；当s＞40m时，监测频率为每周1次。当压力监测数据出现异常时，应加密监测，查明原因，及时采取措施进行处理。

3.5 监测结果与分析

在断面K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137处分别埋设测试仪器，其掌子面与测试断面间的距离变化分别如表1～4所示。图2～5分别为断面K7＋075、K7＋091、K7＋112、K7＋137处围岩与初期支护间土压力随时间的变化趋势。

表1 K7＋075断面测量日期和掌子面距离对照

表2 K7＋091断面测量日期和掌子面距离对照

表3 K7＋112断面测量日期和掌子面距离对照

表4 K7＋137断面测量日期和掌子面距离对照

从图2～5的监测数据可以看出，随着时间的推移（即随着掌子面往前推移），围岩与初期支护间土压力逐渐增加，并总体上逐渐趋于稳定。在掌子面距离测试断面小于30m时，土压力增长迅速；超过30m后土压力增长变缓，并逐渐趋于稳定。

图5 K7＋137断面围岩与初衬间土压力监测数据

测试断面K7＋075和K7＋091位于隧道Ⅳ级围岩段，K7＋112和K7＋137断面位于隧道Ⅲ级围岩段，从图3～6中可以发现，除个别测点外，断面K7＋075和K7＋091处的土压力总体上大于K7＋112和K7＋137断面处的土压力，这与围岩分类的情况相吻合。Ⅳ类围岩段拱顶位置的围岩压力在10～20kPa左右，拱肩位置的围岩压力在40～50kPa左右，边墙处的围岩压力变化较大，最大达到60kPa，最小只有15kPa；而Ⅲ类围岩段拱顶位置的围岩压力在20～35kPa左右变化，拱肩位置的围岩压力在20kPa左右，边墙处的围岩压力变化也较大，最大达到80kPa，最小只有2kPa。

4 结 语

本文依托农村公路隧道扩建工程实例，对既有隧道扩挖围岩与初期支护间压力的分布规律作了监测分析和初步探讨。监测结果表明：随着隧道扩挖掌子面往前推移，围岩与初期支护间的土压力逐渐增加，并总体上逐渐趋于稳定；Ⅳ级围岩段的围岩压力总体上大于隧道Ⅲ级围岩段的围岩压力。本文得出的隧道扩挖围岩与初期支护间压力的分布规律，可为同类隧道扩挖确定合理的支护参数提供参考，对于指导既有公路小断面隧道施工、提高工程质量、确保施工安全、降低工程造价等均具有重要的意义。

［1］李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道扩挖及改建技术探讨［J］.隧道建设，2011（8）：358－364.

［2］谭仪忠，刘元雪，周结中.隧道扩建合理开挖步序的研究［J］.后勤工程学院学报，2011（9）：8－16.

［3］刘明辉，殷爱国，郭 伟.既有隧道扩挖改造的施工控制及数值模拟研究［J］.铁道工程学报，2014（11）：98－103.

［4］李 健，谭忠盛.大断面黄土隧道初期支护与围岩相互作用机理研究［J］.现代隧道技术，2013（6）：79－86.

［5］余永强，熊芳斌，李华茂.厦门翔安海底隧道开挖围岩应力与位移监测分析［J］.施工技术，2010（1）：36－37.

Monitoring and Analysis of Pressure Between Surrounding Rocks and Preliminary Support During Tunnel Expansion

LI Hai－guang
（Highway Administration Bureau of Jinhua City，Jinhua 321013，Zhejiang，China）

In order to study the interaction between surrounding rocks and preliminary support during tunnel expansion，the pressure was monitored on test section of the tunnel project and analyzed thoroughly later.The result shows that following the moving forward of tunnel face，the soil pressure between surrounding rocks and preliminary support gradually increases and turns stable，and the pressure on rocks in gradeⅣis generally higher than that in gradeⅢ.

tunnel expansion；surrounding rock；preliminary support；pressure

U451.1

B

1000－033X（2015）08－0070－03

2014－12－21

［责任编辑：王玉玲］