既有隧道间新建小净距大断面四车道隧道动态施工监测技术

■苏 涛

(福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001)

1 引言

随着我国高等级公路建设的快速发展，大跨径、小净距隧道在山区高等级公路中被广泛应用。在中短隧道建设类型的选择上，小净距隧道经常被采用。目前多车道大断面公路隧道建设的设计和施工经验均相对不足，需要在实践中不断摸索，提高设计和施工技术。特别是在运营两隧道之间新建一座四车道隧道，并将右洞扩建为四车道，形成了大断面小间距隧道群，此种情况在国内尚属首次，本文所涉及的泉厦高速公路扩建工程大帽山隧道的施工，因为其重要性、特殊性以及可借鉴的相关经验和资料较少的特性而受到广泛关注。下主要介绍了该隧道新建左线施工阶段的监控量测工作。

2 项目概况

2.1 隧道概况

大帽山隧道为泉厦高速公路扩建隧道其中一座，隧道左右线均位于线路直线段上，左、右线长度均为600m。

扩建方案为在原两洞之间新建一座四车道隧道，并将右洞扩建为四车道，形成了大断面小净距隧道群，从左至右有：原左洞两车道隧道，新建四车道隧道和扩建四车道隧道。两车道左线隧道与新建四车道隧道的行车道中线间距为23.53m，新建与扩建四车道隧道的行车道中线间距为29.61m。新建隧道洞口段左右侧壁距既有隧道侧壁分别只有5.89m 和8.83m，从小净距隧道分类[2]可以判断为严重影响稳定的超小净距隧道，其关系如图1 所示。

图1 大帽山隧道洞室位置关系图 （单位：m）

2.2 施工情况

大帽山隧道最大毛洞开挖跨度为21.67m，结构按新奥法原理进行设计，采用复合衬砌。V 级围岩地段，采用双侧壁导坑法开挖；Ⅳ级围岩地段，采用单侧壁导坑法开挖；Ⅱ、Ⅲ级围岩地段，采用上下台阶法法开挖。新建隧道和既有隧道间距较近，爆破作业对相邻隧道的稳定性有较大影响，开挖采用微震爆破技术，严格控制爆破震动对隧道围岩和相邻隧道的影响。双侧壁导坑法断面内的上下台阶长度不得大于5m，左、右导坑错开8～10m。开挖顺序如图2 所示。

图2 大帽山隧道左线进口双侧壁导坑法施工简图

3 监控方案

3.1 监测方案设计

大帽山隧道监控量测设计依据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）、《公路隧道施工技术规范》（JTJ 042—94）以及福建省交通规划设计院《福建省泉州至厦门高速公路扩建工程A8 标大帽山隧道两阶段施工设计》中有关监控量测说明。监测内容为：周边收敛位移、拱顶下沉、地表仰坡位移、地质超前预报、系统锚杆轴力、围岩内部位移、围岩压力及初砌内力、支护内力、爆破震动等监测项目[3、4、5]。限于篇幅，本文着重讨论隧道围岩变形量测的收敛和拱顶下沉的施工监测情况。具体测点布点见图3。

图3 双侧壁导坑施工一般监测断面布置示意图

3.2 监测方案优化

结合现场监测方案优化分析如下：大帽山隧道左线进口采用双侧壁导坑法施工，最大开挖高度14.41m，最大开挖宽度21.67m；侧导坑设计开挖高度达12.90m，宽度达8.25m，与一般单洞双车道隧道全断面开挖面积接近，且因为隧道侧导坑高跨比较大，受力条件较为恶劣，左右导坑先行开挖，预留核心土，导坑开挖采用交替爆破掘进，这样对核心土及初支形成多次扰动，所以对导坑的支护变形监测尤为重要。对于大跨径隧道来讲，相关资料表明[6]，拱顶下沉测点测值的变化对于把握围岩动态变化趋势是相当重要的，故在侧导坑开挖时进行拱顶下沉监测。

4 监测实例应用分析

4.1 地表仰坡沉降

地表沉降测点距洞口16m，埋深不足10m(见图4)。掌子面开挖至监测断面5m 前，各测点产生沉降量较小；掌子面推进到监测断面后；隧道轮廓范围内测点沉降量明显增大，下沉历时约70d 后趋于稳定。由图5、6 可见隧道轴线位置附近沉降明显，两侧逐渐减小，大致呈漏斗状，沉降影响范围没有到3 倍洞径；基本是从洞底边线作45°角延伸到地面这一范围。由于右导先行开挖，所以靠近右导范围洞顶下沉量大于后开挖的左导坑，变形趋势与围岩应力释放吻合。

图4 大帽山隧道出口地表下沉测点布置示意图

由地表沉降时程曲线可知，地表沉降大致经历三个阶段：

⑴当右侧壁上台阶推进到监测断面前10m 时，地表沉降速率开始增大，当掌子面推过监测断面时，沉降几乎呈直线增加，沉降量约为总沉降量的20%。

⑵当左导坑上台阶掌子面推进到距监测断面前约5m 时，地表沉降量再次增大并一直持续到通过该断面，沉降几乎呈线性增加，沉降量约为总沉降量的60%。

（3）当下台阶及仰拱开挖通过地表下沉断面时，下沉速率再一次增大，仰拱封闭成环后7d，下沉速率便逐渐减小，日趋稳定。此时沉降量约为总沉降量的20%。

图5 隧道进口地表下沉位移曲线图

图6 隧道进口地表下沉时程曲线图

图7 隧道出口地表下沉位移曲线图

图8 隧道出口地表下沉时程曲线图

4.2 净空收敛

本文选取的典型收敛断面埋设时距右导坑掌子面2m。整个断面距掌子面30m 后收敛测线变化已趋于平稳，32d 累计最大收敛值只有4.55mm，位移曲线见图9。根据JTJ042-94《公路隧道施工技术规范》[6]规定，在Ⅳ级浅埋围岩段，隧道围岩最终允许相对变形量为0.15%～0.50%，导坑断面水平测线长7.3 m，实测洞周收敛相对值为0.06%，远小于规范允许值。收敛趋势23d 后开始逐渐趋于稳定。

图9 典型断面收敛移曲线图

从量测结果看，右导坑收敛值大于左导坑，横向水平收敛值一般都大于斜向收敛值，这与左导距既有隧道侧壁距离（5.89m）小于右导距既有隧道侧壁(8.93m)的事实是相符的，也和右导超前于左导开挖的施工工序是相符的，同时后行的开挖会对先开挖的围岩产生一定的影响。距离开挖工作面越近收敛曲线波动越大，距离开挖工作面超过1.5 倍洞径的收敛测线趋于稳定。同时收敛曲线的波动性也反映出初始锚喷支护极易受到局部地质条件及掌子面的扰动影响。

基于上述分析，并对本隧道已完成的测量数据统计（见表3）后综合考虑公路隧道断面、围岩强度、围岩级别、不良地质情况等影响因素，本文提出如表4 所示的四车道公路隧道监控量测预警值。

表3 已完成收敛断面数据统计

表4 建议洞周收敛预警值

4.3 拱顶下沉

典型拱顶下沉断面围岩抗压和抗剪强度低，承载力差，属于V 级围岩，埋设时距右导坑掌子面3m。右导坑先行开挖，位于该导坑内的G1 测点下沉趋势明显，下沉量大于位于左导内的G3 和位于拱顶中央的G2 测点。G1 测点历时179d 后累计下沉18.07mm，测点埋设初期拱顶下沉增幅较大，随着掌子面开挖远离断面后，下沉历时69d 后逐渐减弱趋于稳定，下沉趋势见图10。依据JTJ042-94《公路隧道施工技术规范》[7]之规定，隧道围岩最终允许相对变形量为0.20%～0.80%，导坑断面水平测线长7.3 m，实测拱顶下沉相对值为0.25%，实测下沉量较小。

图10 典型断面拱顶下沉移曲线图

参考《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》（TB10108-2002，J159-2002），（见表5）结合大帽山隧道的实际情况采取了III 级管理制度作为监控量测管理方式。

表5 监控管理制度

同时基于规范考虑，并且统计本隧道已完成实测监测数据（见表6）后综合考虑公路隧道断面、围岩强度、围岩级别、不良地质情况等影响因素，提出了建议的四车道公路隧道监控量测不同围岩分类预警值(见表7)。

表6 已完成拱顶下沉断面数据统计

表7 建议拱顶下沉预警值

控制标准、警戒值及警戒管理模式已在泉厦高速扩建沿线隧道施工中实施，并且取得了良好的实际应用效果。大帽山隧道新建左线发布了Ⅰ级警戒3 次，Ⅱ级警戒13 次；及时有效预警了施工中的变形过大问题，并采取了相应的防范措施，避免了重大施工事故的发生，有效地保证了施工安全。

5 结语

(1)本文通过对泉厦高速扩建工程大帽山隧道大量监控量测实测数据的分析，总结后提出了四车道公路隧道洞周收敛和拱顶下沉预警值参考值，并在后续监测工作中应用并取得成效，对类似工程具有实际指导意义。

(2)小净距特大断面四车道隧道中夹岩厚度较普通分离式隧道小,且采用双侧壁导坑法开挖，核心土和围岩受到多次开挖的扰动，结构的受力较为复杂，其薄弱环节和薄弱部位、现场监控量测的重点以及量测项目的基准值较一般的分离式隧道均有所提高。

(3)该类隧道由于间距小，爆破震动监测建议作为必选监测项目，同时由于时空效应明显，要着重注意各环节施工对初支及围岩的影响，各导洞均应布置独立成系统的断面收敛测点及拱顶下沉测点，并密切分析与相邻隧道间的相互影响。

[1]JTG D70—2004）,公路隧道设计规范[S].北京，人民交通出版社，2004.

[2]双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究.西部交通建设科技项目.

[3]任国雷.大跨度隧道侧壁导坑法施工过程数值模拟[J].西部探矿工程，2005（3）.

[4]曾磊.特大断面隧道远程自动化监测方案的研究[J].现代隧道技术，2007（10）.

[5]李云鹏，韩常领.柞小公路隧道爆破震动波现场监测与分析研究[J].现代隧道技术，2008（10）.

[6]李晓红.隧道新奥法及其量测技术.北京:科学出版社，2001.

[7]JTJ042-94,公路隧道施工技术规范[S].