小垂距交叉软岩隧道现场监测分析

宋桂锋，武 松

(1.云南小磨高速公路改扩建工程建设指挥部， 云南 景洪 666100；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071;3.中国科学院大学， 北京 100000)

小垂距交叉软岩隧道现场监测分析

宋桂锋1，武 松2，3

(1.云南小磨高速公路改扩建工程建设指挥部， 云南 景洪 666100；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071;3.中国科学院大学， 北京 100000)

针对公路与铁路小垂距交叉软岩隧道的特点，以云南某上穿公路隧道为背景，对该隧道右幅交叉段进行隧道净空收敛、围岩内部结构应力、围岩深部位移等项目的监测。根据监测结果，分析该隧道的围岩和支护结构的变形以及受力特点。结果表明，隧道右幅交叉段Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法开挖是可行的，能够有效地控制围岩变形，围岩稳定变形时间在30 d左右。监测成果可用于对隧道稳定性进行评估与预警，以便及时调整支护参数，保证隧道施工安全性。

软岩；交叉隧道；现场监测；结构应力；深部位移；稳定性

近年来，在我国交通铁路、公路建设中，由于受地形、地物和地质条件等因素的限制[1]，交叉隧道越来越多地出现，关于交叉隧道施工过程中的力学特性和安全性研究也越来越多[2-5]。交叉隧道开挖，必然会引起隧道围岩的变形，进而影响到已有隧道的围岩及支撑结构[6]。新建隧道安全贯通是工程界亟需解决的技术难题。针对交叉隧道，大量学者开展了交叉隧交叉段的数据监测分析，进而提出相应的安全控制技术[7]、地表沉降控制方法[8]、优化施工参数[9-10]、围岩的稳定性分析[11-12]等。然而，上述研究都是针对具体的隧道开展的。李鹏飞等[13]开展了大量的隧道围岩压力现场监测样本收集，基于实测数据的统计分析，开展了围岩压力的分布规律研究，为其他拟建隧道分析围岩作用机制提供了有益的参考数据。

本文结合云南某公路隧道的现场监测工作，开展了软岩隧道交叉段的围岩变形和支撑结构的受力等研究。研究结果可为后续的施工优化提供依据，也可为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程背景

云南某公路隧道为分离式隧道。隧道右幅和左幅起点桩号分别为K7+230和K7+175，长度分别为895 m和905 m。该隧道与既有铁路隧道存在2处交叉(右幅K8+080.49、左幅K8+036.61)，右洞交叉角约为81°，左洞交叉角约为79°，公路路面距铁路隧道拱顶高度为34 m。

隧道地层为第四系(Q4)，围岩以泥岩、砂岩和粉砂质泥岩不等互层为主。因区域大断裂带的存在，隧道区段内小构造非常发育，岩石的节理裂隙发育，岩体非常破碎，因此，隧洞开挖后无自稳能力易坍塌。

2 监测概况

为了研究小净距交叉软岩隧道施工过程中围岩的变形稳定，施工方案能否通过，支护体系能否满足设计要求的强度，根据交叉隧道的结构特点、施工工艺和地质情况，隧道现场监测主要有净空收敛、结构应力、围岩压力及围岩位移监测等。共布设净空收敛监测断面3个(K8+100，K8+085，K8+070)，围岩内部结构应力监测断面与净空收敛监测断面相同(如图1所示)，其中净空收敛共计18条测线，表面应力计和土压力计共计30个监测点。

图1 净空收敛、结构应力监测点布置示意图

围岩深部位移监测断面2个(K8+090，K8+060)，多点位移计监测孔沿右侧墙处指向隧道出口左洞方向向下倾斜45°钻取，孔深分别为20 m和33 m，其测点编号分别为LSY1-1、LSY1-2、LSY1-3、LSY1-4和LSY2-1、LSY2-2、LSY2-3、LSY2-4，测点深度分别为11 m、13 m、15 m、17 m和15 m、20 m、25 m、30 m，监测孔布置图如图2所示。

图2 多点位移计监测孔布置图

3 监测结果与分析

该公路隧道右洞施工采取由隧道出口和进口双向掘进的方式进行，监测工作从2012年6月22日开始，截至2012年8月20日出口右洞上导洞掌子面已掘进至K8+048断面处，累计开挖进尺69 m。隧道右洞完全以短进尺机械设备作业方式进行，施工进度进展缓慢。本文主要分析本隧道右洞交叉段(右幅K8+080.49)代表性监测断面，简要介绍小垂距交叉软岩隧道的监测成果，并进行相关分析研究。

3.1 隧道变形监测结果与分析

隧道右线K8+100、K8+085、K8+070断面在观测期间内分别共进行了16、12、34次现场监测，其中K8+085监测断面净空收敛分析如图3所示。

图3 隧道右洞K8+085断面收敛曲线

从图3可知，隧道出口右洞K8+085断面净空收敛最大累计值为-3.0 mm，出现在1→5测线，表明隧道下导坑施工对围岩变形的影响较为明显。根据判断围岩达到稳定的标准为施工完成后累计5 d的变形平均速率小于0.1 mm/d，隧道右洞交叉段围岩等级为Ⅴ级，该监测断面围岩变形稳定时间为31 d。根据监测结果，隧道右幅该监测断面净空收敛变形较小，在变形速率大小方面，累计收敛整体变化缓慢趋于稳定；该监测断面位移变形随着上、中、下台阶开挖通过各监测断面，净空收敛会发生一定变化，从开始几天变形较为严重，变形幅值也偏大，之后趋于缓慢增长，隧道净空收敛基本稳定时间大概在30 d左右[14-15]。施工过程中建议加强支护措施，二衬尽量及时跟上，避免由于隧道围岩强度低自稳性较差产生安全事故。

3.2 结构应力监测结果与分析

隧道K8+085断面结构应力监测结果如图4所示。

图4 右洞K8+085断面钢拱架内力-时间曲线

由图4可知，截止2016年8月20日右洞K8+085断面拱架受拉变形最大峰值达到-409.3 με，出现在8月15日测点LXY2-4右上拱肩部位拱架处,且相应压应力为-81.9 MPa。监测结果表明：该测点处拱架受压过程至7月14日后已明显趋于平稳；相对而言，左上拱肩部位拱架处测点LXY2-2，拱顶部位拱架处测点LXY2-3和左上拱腰部位拱架处测点LXY2-1钢支撑应力变化均较小，且整个发展趋势与测点LXY2-4处较一致；而右上拱腰部位拱架处测点LXY2-5钢支撑受力则刚好相反，处于受拉状态，其应变值达到193.2 με，也出现在7月14日，之后也明显趋于稳定且相应拉应力为38.6 MPa，该处拱架与其他各处至8月11日后均开始转为受压状态，但变化速率较为缓慢。各测点应力变化与钢拱架受力状况比较吻合，可以推测该断面钢支撑整体支护基本达到预期的效果，支护结构的支撑强度满足安全要求。

3.3 围岩压力监测结果与分析

隧道K8+085断面围岩压力监测结果如图5所示。

图5 右洞K8+085断面土压力-时间曲线

由图5可知，右洞K8+085断面左上拱腰处测点LXY2-1土压力最大，其最大峰值达到0.15 MPa，出现在7月14日；其次土压力值为0.12 MPa，也产生在8月20日该处测点上；其他部位各测点土压力则变化相对较平缓，且发展趋势也较为一致。监测结果表明:本阶段该断面处土压力整体变化较为平缓，各测点变化趋势基本稳定，可以推测围岩与支护体系结合作用较充分，混凝土在支护过程中发挥了相当的作用。

3.4 围岩深部位移监测结果与分析

隧道右幅K8+090断面围岩深部位移监测结果如图6所示。

图6 右洞K8+090断面围岩深部位移-时间曲线

由图6可知，右洞K8+090断面围岩深部位移监测最大累计位移值约为-2.53 mm，出现在测点LSY1-1处(至7月18日)，该点孔深11.0 m，仅表现观测初期有短暂的小幅波动，之后一直保持平稳状态；其他多点位移计各测点位移基本不明显，累计位移量绝对值基本小于0.3 mm。本阶段多点位移计监测反映施工过程中岩体位移均普遍很小，变形速率逐渐变小，围岩大体趋于稳定状态。分析认为，该断面在孔口段10 m左右深度的位移变化不大，隧道施工对围岩松动区的影响范围很小，下穿铁路隧道岩体受新建隧道开挖影响不大。

4 结 论

本文针对某公路隧道与下方既有铁路隧道交叉段工程，通过现场监测分析得到如下结论：

(1) 从各断面净空收敛和深部位移监测结果看，隧道右幅交叉段Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法开挖是可行的，三台阶临时仰拱法主要应用于软弱围岩隧道的修建，所用的支护体系能使围岩变形得到有效的控制，并保证新建隧道的开挖顺利进行。

(2) 隧道开挖过程中，围岩变形是时空效应共同作用的结果，位移变形随着上、中、下台阶的开挖逐渐增大，而且在开始的10 d左右增加较快，围岩稳定变形时间基本在30 d左右，如果围岩较差，所需稳定时间会有所增加。

(3) 结合各断面净空收敛量测、结构应力、围岩压力以及深部位移监测的结果，均充分反映该隧道右洞至交叉段开挖并未引起大的围岩变形，综合考虑隧道施工对下穿铁路隧道的扰动也没有构成直接影响，说明目前隧道施工对岩体没有产生较大影响，基本处于安全状态下，可稳步推进。

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Site Monitoring Data Analysis of Tunnels with Small Clear Spacing Close Cross Soft Rock

SONG Guifeng1, WU Song2,3

(1.TheReconstructionandExtensionProjectConstructionHeadquarterofYunnanXiao-moExpressway,Jinghong,Yunnan666100,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100000,China)

Based on a tunnel project in Yunnan province which pass a railway and surrounded by soft rock, it is critical to make a comprehensive monitoring on the mechanical characteristics of the tunnel during construction. According to its characteristics, some monitoring focusing on the convergence deformation, structure stress and rocks displacement etc has been carried out previously. The deformation and stress properties of surrounding rocks and supporting system are analyzed according to measured data. The results show that it is feasible to excavate the surrounding rock by using the three step temporary inversion method. The method can effectively control the deformation of the surrounding rock and the time stable deformation of the surrounding rock is about 30 days. The measured data can be used to assess the stability of the tunnel and provide early warning, and adjust the support parameters timely and ensure the safety of the tunnel construction.

soft rock; cross tunnel; site monitoring; structure stress; deep displacement; stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.039

2017-02-03

2017-03-05

云南省交通科技项目(云交科教[2016]140(A))

宋桂锋(1975—)，男，云南鹤庆人，高级工程师，主要从事公路工程项目建设管理工作。E-mail:1550952821@qq.com

U456

A

1672—1144(2017)03—0188—04