隧道开挖工序对围岩支护的变形影响与空间效应

王 亮

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 40074）

隧道开挖工序对围岩支护的变形影响与空间效应

王 亮

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 40074）

利用隧道现场监控量测技术，通过对现场数据分析直观的反应围岩变形稳定情况并对下一步施工工序作出指导性建议；而今天隧道结构的形式多元化，隧道施工技术日益成熟，不同的施工工序对隧道围岩结构的改变也不尽相同，由于施工过程中掌子面不断推进，围岩岩层的结构系统也随之经历破坏重组再破坏再重组的循环当中，此过程中重组的结构系统不能形成最终的稳定状态。

监控量测；空间效应；围岩位移；开挖工序

1 工程概况

隧道单洞净宽13.75m，净高7.85m，连拱开挖总跨度达34.36m，属六车道双联拱大跨度隧道，左右洞之间通过 2.9m厚的中隔墙相连，隧道净宽 32.10m（14.60+2.90+14.60），隧道长280m，其中明洞长20m，暗洞长260m，隧道洞身围岩主要以粉砂质泥岩、砂岩互层为主，洞身围岩均为V级，隧道最大埋深35m。隧道采用图2-2所示步骤开挖支护，即采用左右侧壁上下台阶法。

本文以四川某公路隧道为例运用现场监控量测数据对隧道施工过程中围岩支护变形特性、开挖施工工序、开挖过程中产生的空间效应等因素进行理论分析，得出相关结论并运用经验反馈法的三个准则[1]～[3]以对后期施工及类似工程施工提供一定参考依据，并对围岩支护变形进行预测以及得出围岩支护变形规律。

2 监控量测

本隧道施工采用新奥法施工，本文对断面顶部沉降与周边收敛进行分析。测点布设情况[4]～[6]：现场监控量测在5～10m间距布设一个断面测点测线，每个断面布设3个沉降测点（分别为拱顶、左、右拱腰测点），上、下台阶两个水平收敛测线。见图2-1所示

图2-1 测点测线布设及施工工序

2.1 空间效应

隧道在施工过程中由于掌子面不断施工推进，而掌子面附近围岩不能立即释放全部弹性位移，形成了由开挖面推进产生的围岩变化的特性，即空间效应[7]，其中周边围岩受到两种不同的约束方式，即“半圆弧”约束和“环形约束”，开挖时掌子面附近存在“虚拟支撑力作用”；而隧道施工的空间效应主要表现在由“位移释放系数”得出的“位移释放规律”[8]上。

在现在的公路隧道工程中为了满足车流量大的问题，隧道断面也进入了双车道或三车道及以上。对于这类隧道的施工，大多数情况都是采用非全断面开挖，但非全断面开挖就分多种方法，本文依据如图所示开挖步骤，以具有代表性的左洞断面 K1+100上测点测线为例对每个开挖步骤对周边围岩支护的位移变化影响分析研究并作出总结。

3 量测数据分析

根据现场监控量测数据过程中得到的数据，以K1+100断面为例对该断面围岩支护变形特性进行分析。由于施工现场条件限制，在施工开挖到K1+101时进行对K1+100断面的布设以及初次量测。（以下所述掌子面均为工序一处开挖施工的掌子面）

图3-1 各测点测点随掌子面掘进沉降图

由左拱腰测点数据可以看出在掌子面推进距该断面0～6m的过程中左拱腰测点处于快速下降状态，沉降量急剧增长，此为工序一开挖向前推进过程，在而在随后急剧下沉的状态缓慢降低，说明该断面左侧壁开挖部分已经进入缓慢增长阶段，最大下沉量为5.6mm；在工序二即掌子面在11～20m左右范围内时，施工开挖过程中由于右侧壁岩体被挖掉导致已趋于缓慢变化的左侧壁再次发生比较大的下沉状态，但这种变化并没有之前的急剧下沉明显，最大下沉量为 8.7mm。而在距掌子面在20m以上的工序三、四对施工开挖则对左侧壁的影响效果甚微，下沉量并没有发生大的变化并处于平缓增长直至不再增长，最终下沉量为9.6mm。

拱顶测点在工序二施工开挖及掌子面向前推进过程中，在10～23m阶段拱顶测点下沉量迅速猛增，最大下沉量为6.1mm；而在23～31m阶段增长速度进入缓慢阶段，下沉速率明显平缓，此时工序三已开始施工开挖，表明工序三对拱顶测点的影响不大，即下沉量没有急剧增加，最大下沉量为6.6mm；进入31～42m阶段工序四的开挖也并没有对拱顶测点造成多大影响，拱顶测点下沉量增长不明显并缓慢趋于稳定，最终下沉量为7.1mm。

右拱腰测点在10～21m阶段右拱腰测点下沉量初期增长迅速，并开始出现区分快速增长与趋向增长缓慢的“节点”，其最大下沉量为6.2mm，在21～42m阶段增长不明显，下沉量已开始走向稳定状态，最终下沉量为 6.7mm；表明工序三、四的施工开挖对其影响没有了较为明显的效果。

图3-2 上收敛测线随掌子面掘进收敛图

由上收敛测线量测数据中看出，掌子面在11～22m时上收敛测线变化值处于迅速增长状态，再随后掌子面不断推进收敛变化值已进入平缓增长或不增长状态，表明在工序三、四施工开挖中对上收敛测线的影响效果甚微。

从下收敛测线数据明显看出，看出在总体收敛变化值较小，在30～42m范围内变化值快速增长，但在随后也明显趋于稳定状态，最终变化值为1.24mm。

4 结论

（1）根据上述图形及分析不难看出距离隧道开挖面较近的断面产生的围岩变形比较大，在随后开挖面逐渐推进对其的影响开始减弱甚至消失。

（2）在开挖过后的断面在无扰动情况下逐步进入缓慢变形最终稳定。

（3）步入稳定的断面在周边围岩（工序二处断面）被开挖后左侧壁受到一定程度的影响，但在随后的开挖过程中最终又进入稳定状态。

（4）由于左侧壁先后受到工序二、三、四周边围岩的扰动产生了不同程度的影响，其中工序二产生的影响最大，这与左侧壁刚刚趋于稳定又再次受到周边围岩的扰动有关；而在工序三、四的施工中对其影响较小与开挖的上下台阶法有关，且上收敛测线受到下台阶（即工序三、四）开挖的影响过小也证实了这点。

（5）工序三、四开挖后下收敛测线并没有产生像上收敛测线一样大的收敛变形，是由于仰拱及时施作并封闭成环有关。

（6）左拱腰测点的最终沉降量大于拱顶、右拱腰测点，是受到围岩多次扰动的影响，这与施工中倡导的“少扰动”相符。

[1]铁路隧道施工规范(TB10204一2002).中国铁道出版社.2002

[2]关宝树.隧道工程设计要点集.人民交通出版社.2003

[3]]Eisenstein.Urban Tunneling Challenges&Progresses.2000

[4]熊创贤，洪亮．浅埋偏压隧道几种施工方法的比较与研究［J］．路基工程，2007(3):18－20．

[5]陈建勋，杨忠，袁雪戡．秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施工监测及分析［J］．建筑科学与工程学报，2006，23(3):71－75．

[6]李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］．北京:科学出版社，2002．

[7]温玉忠．软岩支护系统研究［J］．煤炭技术，2007，26(4):79-91．

[8]孙钧，朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析.岩土力学，1994，15（4）20～33

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