单洞四车道公路隧道现场监测分析研究

曾宏飞，王玉锁，李俊杰，杨超，冯高飞

(1．西南交通大学，四川成都610031;2．中国中铁二院工程集团有限公司，四川成都610031)

单洞四车道公路隧道现场监测分析研究

曾宏飞1，2，王玉锁1，李俊杰1，杨超1，冯高飞1

(1．西南交通大学，四川成都610031;2．中国中铁二院工程集团有限公司，四川成都610031)

近年来，我国高等级公路建设中出现了越来越多的超大断面单洞四车道隧道，与传统的单洞两车道隧道相比，其受力条件复杂，施工难度加大，施工监测愈发重要。本文通过对福建省牛寨山隧道施工过程中地表沉降、拱顶下沉、洞周收敛、围岩压力、衬砌内力等的监测与分析，探讨此类隧道施工特点。监测结果显示，超大断面隧道开挖变形大，洞口软弱围岩段受力复杂。此外，论述了现场监测对超大断面公路隧道的必要性及仰拱施作对抑制隧道变形的显著作用。

隧道工程 超大断面 四车道 监控量测

随着我国经济建设的发展，高等级公路的迅速建设和交通运输要求的逐步提高，传统的单洞两车道的公路隧道已经渐渐变得不能满足需要，近年来出现了越来越多的单洞三车道、单洞四车道的公路隧道，如福建的金鸡山隧道、魁岐2号隧道，广州的龙头山隧道，大连的韩家岭隧道均为单洞四车道公路隧道，其最大开挖断面均超过了200 m2，按日本隧协断面划分标准均属于超大断面隧道。

单洞四车道隧道受力条件比较复杂，衬砌结构承受的围岩压力较大，再加上施工期间多工序的转换、开挖隧道对围岩的多次扰动等很多因素使得极易出现围岩失稳和隧道结构破坏的现象。目前国内外都加强了对四车道大断面公路隧道的施工管理，重点加强了监控量测、反馈分析等信息化施工动态控制技术的落实，以保证四车道公路隧道的结构安全和围岩稳定［1-3］。而现场监测对于超大断面隧道新奥法施工具有重要意义，它能预防施工中的险情和事故，以便及时采取补救措施把隧道施工中可预见的危险降到最低［4-7］。

本文结合牛寨山南线隧道的现场监测结果，对单洞四车道隧道施工过程中围岩和支护体系的变形及受力特点进行分析，以期对相关支护体系的优化提供依据，并为以后类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

牛寨山隧道南线位于福州市平潭县城区西侧，进口位于东壁村，出口位于红山村。南线隧道起讫桩号为SK4+336—SK5+165，总长829 m。隧道单洞建筑限界18 m×5 m，南线隧道在V级围岩中开挖跨度达21 m，最大开挖面积为260 m2，扁平率约0.691，属于软弱围岩中大跨度扁平隧道。

该隧道场址属于残坡积台地及低山丘陵，覆盖层由第四系坡残积土组成，基岩主要为燕山晚期侵入的中细粒花岗岩，岩体风化差异很大，不均匀现象显著。隧道南线进出口段斜坡坡度为10°～35°，地形起伏较大，洞口浅埋段埋深5～20 m，洞身段最大埋深约121 m。隧道进、出口有约100 m的Ⅴ级围岩，隧道中部有约445 m的Ⅲ级围岩，其余均为Ⅳ级围岩，围岩主要为花岗岩。

隧道Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法施工，复合式衬砌，初期支护以锚杆湿喷混凝土、钢支撑挂钢筋网为主，辅以超前大管棚、超前小导管等。隧道Ⅳ级围岩采用中隔壁法施工，开挖前设置超前锚杆，隧道III级围岩段采用单侧壁导坑法施工［8］。

2 监测情况

单洞四车道公路隧道属于超大断面隧道，开挖工序和方法直接影响隧道结构和围岩的稳定性，尤其是隧道进出口浅埋段受力较为复杂，隧道施工现场的监控量测是确保安全施工的必要手段。

根据公路隧道施工规范的要求，针对该超大断面隧道的一些特点和施工方法以及地勘情况，确定主要的监测内容为地表沉降、拱顶下沉、洞周收敛、围岩压力、钢支撑内力、二衬内力等。代表性监测断面测点布置见图1。

图1 代表性监测断面测点布置

3 监测结果与分析

3.1 围岩变形监测结果分析

1)地表沉降

在隧道南线出口段地表SK5+070，SK5+060断面处布置了2条地表沉降测线，每条埋设7个地表监测点。现以SK5+060监测断面为例做简要分析，该断面各监测点地表沉降曲线及地表沉降时程曲线分别见图2、图3。

图2 SK5+060监测断面地表沉降曲线

图3 SK5+060监测断面地表沉降时程曲线(2013年)

从图2可见，此监测断面地表沉降最大值在隧道中线偏左监测点P3处。结合相关监测资料［9］，对于一般隧道地表沉降最大值应出现在隧道中线位置，初步认定此隧道南线出口端存在一定偏压。由图3可见，随着隧道的开挖，各地表监测点下沉波动很大，其中开挖左、右上导坑对地表下沉影响显著且此时下沉速率较大，表明相关支护结构不能满足相应的支护要求。2013年3月中下旬报警停工以后地表沉降维持稳定直至2013年7月初设计、施工单位更改施工方案，增加相应支护措施以后，隧道恢复施工。虽然隧道开挖中上导坑和下导坑时仍对地表下沉有一定影响，下沉速率却明显放缓，仰拱施工完毕后该监测断面沉降量逐渐趋于稳定。从仰拱施工完毕到通过该监测断面50 m，此断面各地表沉降监测值无明显变化。

2)拱顶沉降

隧道南线拱顶沉降纵向分布曲线见图4。图中Ⅲ～Ⅴ为设计围岩级别，SK5+060监测断面的拱顶沉降时程曲线见图5。各级别围岩中拱顶沉降值见表1。

图4 隧道南线拱顶沉降纵向分布曲线

图5 SK5+060监测断面拱顶沉降时程曲线(2013年)

表1 各级别围岩中拱顶沉降统计

从图4可见，隧道南线出口段拱顶沉降较大，最大值已达－106.7 mm，而隧道中部与隧道进口段沉降较小。结合表1可以看出同样是设计Ⅴ级围岩段，隧道进口段拱顶沉降平均值只有－4.58 mm，而隧道出口段却高达－93.58 mm，且Ⅳ级围岩段也有相似结果。这表明在实际开挖过程中，进口段围岩条件和地质条件要远好于预期，而出口段实际围岩条件却比预期恶劣，进而在出口段开挖时出现过报警停工、改进支护措施的事实。这再次说明了地下工程的复杂性和监控量测工作的重要性。

从图5可见，SK5+060监测断面左拱顶沉降值要明显大于右拱顶。从最终沉降量来看，左拱顶比右拱顶多下沉36.38 mm;从平均值来看，左拱顶比右拱顶多下沉约20.36 mm。此数据进一步验证了图2中有关此断面存在一定偏压的推论。另外，开挖初期拱顶沉降快速增长以致报警停工近三个月，更改方案复工以后沉降速率有所减慢，在仰拱施工完毕以后，各点沉降量达到最终沉降量的90%左右，沉降速率进一步减小，变形缓慢增长，大约20 d后基本达到稳定。

3)洞周收敛

各断面的洞周收敛测线布置参见图1。由于隧道出口浅埋段围岩稳定性较差，并且施工工序复杂、隧道出口段在停工与复工之间时间间隔长达近3个月，加大了施工对周围围岩的扰动，加之隧道在此可能存在的偏压情况，使得此段隧道收敛相对较大，水平收敛稳定时间也较长。南线隧道最大水平收敛(－17 mm)出现在隧道出口段，中部的水平收敛相对较小，平均值为－2.76 mm，并且其稳定时间较短，大约在25 d。进口段围岩情况较好，其水平收敛亦相对较小，平均值为－3.88 mm，稳定时间在30 d左右。

图6是南线隧道SK5+060监测断面测线BD水平收敛、测线距掌子面距离与时间的关系曲线。从图6可见，左、右上导坑开挖使该断面产生较大水平收敛，中、下导坑的开挖也使该断面收敛值迅速增加，直至掌子面距离监测断面40 m后变形才趋于稳定，略去隧道停工近三个月的时间，水平收敛波动趋于稳定的时间大概在50 d左右。根据相关资料，围岩变形与测点到开挖面的距离L和隧道洞径D有密切关系。理论上，收敛变形与L/D成指数关系，一般在L/D达到2～3后基本稳定，随后迅速减小直至稳定［10］。

图6 SK5+060监测断面测线BD的水平收敛、测线距掌子面距离时程曲线(2013年)

3.2 围岩压力及支护内力监测结果分析

1)围岩压力

南线隧道SK5+050监测断面围岩压力时程曲线见图7。

图7 SK5+050监测断面围岩压力时程曲线(2013年)

从图7可见，左拱肩在右上导坑开挖和中上导坑开挖时压力增大了近270 kPa，其最大值达到399.49 kPa。究其原因，是由于相关导坑的开挖使周围土体发生扰动，原有土体对隧道周围土体的约束减小，同时临时支撑的拆除使得左上导坑荷载进一步加大。随着时间的推移，左拱肩压力逐渐减小，隧道拱顶压力逐步增加，说明随着支护措施的施作，隧道周围土体压力重新分布。仰拱施工完毕后，压力逐步减小，逐渐趋于稳定。

另外，南线隧道SK5+050监测断面左侧围岩压力明显大于右侧，如左拱肩、左边墙土压力平均值分别为163，150 kPa，而右拱肩、右边墙土压力平均值分别为6.2，35.3 kPa。这与图2和图5显示此段存在一定偏压的情况相符。

2)钢支撑内力

由于南线隧道SK5+050监测断面现场钢支撑钢筋计部分被破坏，现以其断面左上导坑、右上导坑为例，简略说明现场量测结果。SK5+050监测断面钢支撑内力时程曲线见图8。

图8 SK5+050监测断面钢支撑内力时程曲线

由图8可见，从隧洞开挖到临时支撑拆除，初期支护和临时支撑相互协作共同承担围岩和结构的荷载。如左上导坑左边墙外侧在临时支撑拆除前钢支撑轴力平均值－10.32 MPa，左上导坑左边墙内侧在临时支撑拆除前轴力平均值－23.49 MPa，而左上导坑临时支撑外侧在临时支撑拆除前轴力平均值只有－6.17 MPa，左上导坑临时支撑内侧在临时支撑拆除前轴力平均值也只有－4.6 MPa，说明此断面隧洞左上导坑在临时支撑拆除前由初期支护承担主要荷载。右上导坑也有相似状况，不同的是，右上导坑在临时支撑拆除前由临时支撑承担了大部分荷载。

另外，可以看出临时支撑的拆除使得初期支护承担的荷载明显增加，其中左上导坑初期支护在临时支撑拆除后所受荷载增大了－17.82 MPa，右上导坑初期支护在临时支撑拆除后所受荷载增大了－26 MPa。上导坑临时支撑拆除后，其初期支护所受轴力在一段时间内(约8 d)上下波动，这表明其洞周应力在重新分布，随后轴力逐渐趋于稳定。

3)二衬内力

南线隧道SK5+050监测断面二衬应力时程曲线见图9。应力以压为负值，以拉为正值。

图9 SK5+050监测断面二衬应力时程曲线

从图9可以看出，SK5+050监测断面二衬在浇筑完成约15 d内，各测点应力都处于波动状态，其中拱顶内侧曾出现过峰值为0.35 MPa的拉应力，随后逐渐变化为压应力。主要原因在于二衬浇筑后，混凝土固结导致应力重分布，而随着时间的推移，二衬各测点应力缓慢增长并趋于稳定。该断面二衬所受最大压应力约2.8 MPa，远小于混凝土的抗压强度，说明二衬结构安全。

另外根据文献［11］中偏心受压构件公式，计算得出此断面二次衬砌各位置安全系数满足规范要求，各测点安全系数最小值(12.3)出现在隧洞右边墙位置，也大于规范要求值(2.4)，说明此断面二衬结构安全稳定。

4 结论

1)从南线隧道整体监测结果来看，隧道出口Ⅴ级围岩段在施工初期，支护措施不能满足实际情况的需要，在调整相关支护参数以后，地表沉降和隧洞变形情况都有了明显好转。说明调整后的支护措施与施工方法可行。

2)隧洞变形是时间和空间相互作用的结果，以隧洞水平收敛来看，掌子面影响的范围大约在40 m左右，需要稳定的时间大概在30～50 d，并且围岩条件越恶劣，需要稳定的时间越长。

3)从地表沉降与隧道洞周变形的监测结果来看，仰拱的施作对抑制地表下沉和隧洞变形起到显著作用，这表明开挖断面的及时闭合对控制隧道变形非常关键。

4)从支护内力的监测结果来看，初期支护承担了大部分围岩和结构的荷载，二衬浇筑后分担了一小部分荷载，使得隧洞周围应力重新分布。二衬结构受力要远小于初期支护受力，说明二衬起到了安全储备的作用。

隧道工程深入岩土体内部，由于各种地质环境或者结构面的复杂性常常难以准确把握岩土体的状况，监控量测工作可以实时动态监测隧道施工过程中的各种变形和受力状态，因此监测资料可用于及时修正设计或调整施工方案。

［1］刘新荣，孙翔，蒋树屏，等．四车道公路隧道特点及其所需解决的几个问题［J］．地下空间与工程学报，2004，23(4): 438-458．

［2］蒋树屏，黄伦海，胡学兵．超大断面公路隧道的设计与研究［J］．地下空间与工程学报，2005，1(1):55-61．

［3］郝哲，李伟，万明富．对大跨度隧道开挖中若干问题的思考［J］．公路，2005(4):199-204．

［4］林从谋，张在晨，徐亮，等．隧道原位扩建CD法地表沉降预测研究［J］．现代隧道技术，2013，50(1):87-91．

［5］黄永忠，颜炳杰．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［J］．现代隧道技术，2010，47(1):45-50．

［6］周丁恒，曹力桥，曲海峰，等．特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2009，28 (9):1774-1782．

［7］董文德，高波，申玉生．高速公路双连拱隧道施工监控量测及分析［J］．现代隧道技术，2006，43(6):40-44．

［8］厦门市市政工程设计院．金井湾大道(娘宫立交～坛西立交)道路工程隧道土建工程施工图设计［Z］．厦门:厦门市市政工程设计院，2013．

［9］夏才初，龚建伍，唐颖，等．大断面小净距公路隧道现场监测分析研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26(1):44-50．

［10］崔茂玉．公路隧道三维动态信息监控与施工力学分析研究［D］．上海:同济大学，2000．

［11］中华人民共和国交通部．JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

(责任审编葛全红)

U455

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．23

1003-1995(2015)04-0085-04

2014-10-20;

2015-02-10

曾宏飞(1989—)，男，四川泸州人，硕士研究生。