大断面小净距隧道扩建施工监控量测与分析

田 寿,方合雪,张 兰

(中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050035)

0 引言

随着国民经济的发展，为改善通行条件、增加通行能力或提高公路等级，对现有公路的拓宽改建越来越多，相应的公路隧道也需要进行改建、扩建。为充分利用既有隧道，扩建工程常会采用大断面小净距隧道。大断面隧道扩建导致围岩多次扰动，围岩变形大，强度变低，完整性和自稳能力变差[1-2]。小净距隧道两洞结构相互影响，中夹岩受力较为复杂[3]。为了掌握围岩变形和支护结构的动态信息，保障隧道扩建施工安全，需要进行施工监控量测。根据监控量测结果，分析围岩变形的变化趋势、支护结构受力特点以及施工爆破对既有相邻隧道衬砌结构的影响，判定围岩的稳定性，修正支护结构设计，优化施工方案。

本文结合广东某隧道扩建工程施工监控量测项目，对监测数据进行分析，可为公路大断面、小净距隧道扩建工程的施工、设计、监测提供借鉴。

1 工程概况

本隧道位于广东某高速公路，左线长662 m，右线长624 m。结构为分离式双洞单向隧道，公路等级为高速公路双向六车道，设计车速为100 km/h。隧道测设线间距为24.54 m～30.92 m。原设计隧道建筑限界净宽14.75 m，考虑到粤港澳大湾区发展、集约节约利用土地和近远期交通需求，进一步提高公路服务水平，需要增加公路宽度，对隧道进行扩建。按照测设线不变的原则，双洞分别进行单侧扩挖，扩建后隧道建筑限界净宽为18.0 m，隧道内轮廓净宽18.75 m，无仰拱净高9.9 m，有仰拱净高11.8 m，断面面积153.1 m2～176.7 m2，左右隧道间中岩墙净距20.07 m～27.45 m。隧道轮廓尺寸和相对位置见图1。按照《公路隧道设计规范》关于小净距隧道的定义和国际隧道协会(ITA)对隧道横断面积的划分标准，该隧道属于特大断面小净距隧道。

隧道路段属低山区，进口处为斜坡中下部坡地，地形坡度一般在20°～25°之间，进口段分布较厚的第四系松散堆积层；出口段为基岩陡坎，地形坡度在65°～70°之间。隧道穿越地层有第四系崩坡积层、残坡积层、全风化、强风化和中风化花岗斑岩，最大埋深140 m。隧道洞口段为Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩，中部为Ⅲ级围岩。

隧道洞身衬砌按照新奥法原理采用复合衬砌。隧道扩挖施工方法如下：

1)Ⅲ级围岩先施作临时支撑稳定既有二衬，采用台阶法分台阶拆除既有支护及衬砌，单侧扩挖并施作初期支护，全部扩挖完成后施作二次衬砌。

2)Ⅳ级围岩先施作超前支护，并施作二次衬砌钢管撑及临时支撑，对隧道下半断面回填沙袋以减少洞室高度，采用CD法分部拆除既有支护及衬砌，单侧扩挖并施作初期支护，全部扩挖完成后施作二次衬砌。

3)Ⅴ级围岩先施作超前支护，并施作二次衬砌钢管撑及临时支撑，对隧道下半断面回填沙袋以减少洞室高度，采用变形双侧壁导坑法分部拆除既有支护及衬砌，单侧扩挖并施作初期支护，全部扩挖完成后施作二次衬砌。隧道既有衬砌和钢拱架采用机械破除，Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用机械开挖，Ⅲ级围岩根据爆破振动监测数据控制爆破用药量。由于施工场地限制，从出口向进口方向进行扩挖施工。Ⅳ级围岩扩挖施工步骤如图2所示，施工过程中工序①超前支护、初期支护和临时支护情况见图3。

2 监控量测方案

为了掌握围岩状况，验证支护结构效果，优化支护设计参数和指导施工，根据规范[4]和施工图中有关监控量测的要求，结合本隧道的特点，监控量测项目包括周边位移、拱顶下沉、地表沉降、围岩体内位移等变位监测项目和钢架内力、围岩压力、锚杆轴力等应力监测项目以及爆破震动监测。由于是扩建施工监测，周边位移和拱顶下沉的量测断面既包括扩挖后的常规量测断面，也包括既有隧道衬砌的量测断面。必测项目的量测断面间距按照规范[5]要求，根据隧道埋深、围岩级别、断面大小、开挖方法、支护形式等进行布置；选测项目监测断面选取在不良地质段、围岩软弱破碎带、开挖稳定性差段、浅埋偏压段、车行横洞与隧道交叉口等位置。

本文以右线隧道典型断面RK10+520为例对变位和应力监测项目进行分析，该断面临近隧道出口，Ⅳ级围岩，埋深较浅，地表距隧道顶部约11 m。围岩为素填土和中风化花岗斑岩。素填土以碎石土为主，厚度0 m～2 m，状态松散。花岗斑岩受区域构造影响,围岩节理裂隙发育，岩体较破碎～较完整，岩体完整性较差。地下含基岩裂隙水，开挖地下水一般呈滴水状产出。变位和应力监控量测测点布置如图4，图5所示。

3 监控量测结果分析

限于篇幅，本文只列出右线RK10+520断面变位监测项目中的地表沉降数据、应力监测项目中的围岩压力数据和Ⅲ级围岩段的爆破振动监测数据。

3.1 地表沉降监测结果与分析

该断面地表沉降共设置10个测点，从隧道扩挖开始进行监测，每天1次；监测断面距开挖断面5倍开挖宽度后每2 d 1次；浇筑二次衬砌以后每周1次。根据监测数据绘制关键工序累计沉降曲线如图6所示，位移时程曲线如图7所示。

由监测数据可知，地表沉降最大值为6.4 mm。从图6，图7可见，隧道中线附近地表沉降明显，两侧逐渐减小，沉降分布曲线略呈弓形。随着开挖断面的临近，沉降逐渐增大，两侧导洞扩挖和仰拱扩挖均引起沉降量快速增加。左侧导洞①扩挖后，对应左侧地表测点沉降量大于右侧测点，左侧地表累计沉降量约为总沉降量的50%；右侧导洞②扩挖后，两侧地表测点沉降量趋于一致，累计沉降量约为总沉降量的70%；仰拱扩挖约40 d后沉降趋于稳定，二衬浇筑以后地表沉降基本稳定。

3.2 围岩压力监测结果与分析

左侧导洞①扩挖通过监测断面后，施作初期支护并埋设土压力盒T1，T2，工序②，③，④扩挖通过监测断面后，埋设对应的压力盒T3，T5，T4。监测频率第1个月每天1次；1个～3个月每周2次；3个月以后每周1次。根据监测数据绘制围岩压力时程曲线如图8所示，基本稳定状态围岩压力分布如图9所示。

由监测数据可知，开挖支护后，随着围岩变形，初期3 d～6 d围岩压力增加较快，然后支护结构应力调整，围岩变形逐步稳定，测点压力逐渐下降并趋于稳定；至下一工序扩挖时，前期埋设的压力盒测点会受到影响，出现压力增加和波动；二衬浇筑后围岩应力再次调整，各测点应力分布发生变化，约10 d～15 d趋于稳定。整个监测过程中各测点压应力最大值，拱顶为0.030 MPa，左右拱腰为0.045 MPa，左右边墙为0.027 MPa，均小于支护结构承载力。

从围岩压力分布图可见，监测断面支护结构均受压，未出现拉应力区；左右拱腰压应力大于拱顶处压应力，左右边墙受压较小；围岩压力分布呈现非对称性，扩挖范围对围岩压力有影响，中岩墙侧扩挖较小，基本稳定状态时中岩墙所处的左边墙围岩压力也小于右边墙围岩压力。

3.3 爆破振动监测结果与分析

由于Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用机械开挖，故爆破振动监测在Ⅲ级围岩段随爆破进行，在相邻的左线隧道原有二衬衬砌右侧边墙上连续布置3个测点，测点间距15 m。振动传感器固定时，垂直隧道掘进方向为X向，沿隧道掘进方向为Y向，竖直方向为Z向。下面以Ⅲ级围岩段K10+480测点监测数据为例进行分析，部分监测数据如表1所示，对应振速-监测时间曲线如图10所示。

表1 LK10+480测点爆破振动监测数据

由监测数据可知，爆破断面正对监测断面时(9月17日)，测的振速最大，随着掌子面距离变远，爆破振速逐步递减。同一次监测，正对爆破震源方向振速较大，另外两个方向振速相对较小。施工中最大振速为5.728 cm/s，小于GB 6722爆破安全规程中交通隧道的爆破振动安全允许标准值，说明施工爆破用药量满足要求。

4 结语

1)从地表沉降、围岩压力和爆破振动等监测数据可知，该隧道现有施工工艺和支护参数是可行的，地表沉降可控，围岩压力较小，围岩变形基本稳定，爆破振速满足要求。

2)隧道洞口浅埋段，地表沉降分布规律和扩挖施工工序基本吻合，沉降变化趋势较为规律，二衬浇筑以后地表沉降基本稳定。

3)隧道非对称扩建，围岩压力分布也呈现非对称性，扩挖较多的部位相应的围岩压力也较大；后行洞扩挖对先行洞的围岩压力有影响，拱腰压力大于拱顶压力。

4)隧道扩建爆破施工对相邻隧道衬砌会产生一定影响，需要对相邻隧道进行爆破振动监测，严格控制爆破用药量，保证施工安全。