大断面软岩隧道施工监测分析与应用

李先彬，舒志乐，刘保县，何 霄，肖磊磊，李 浩

(西华大学岩土及地下工程研究所， 四川 成都 610039)

我国是一个多山国家，山区面积约占国土总面积的70%。在山区建设公路必然会遇到地形障碍，与以往的普遍做法—盘山绕行或切坡深挖相比，隧道方案不仅可缩短行车里程，提高线形标准，增强运营安全，还可节省用地，保护生态环境等；因此，采用隧道方案穿越山岭，自20世纪90年代以来迅速发展。而后，随着交通量的日益增大，传统两车道隧道已逐渐不能满足功能需求，三车道、四车道等大跨扁平隧道应运而生[1]。

由于大断面隧道形状扁平，又因受到线路条件限制而经常穿越软弱破碎岩体，致使围岩应力更集中，松弛应力更大，支护体系受力更为复杂，故如何在软弱围岩条件下进行大断面隧道施工已经成为工程界内一个难点和热点问题。

国内外相关学者和工程技术人员对此做了一些研究[2-11]。例如，在断面大小方面：张国华等[2]通过数值模拟，结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测，研究了推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围;蒋坤等[3]以魁岐2#隧道为依托，研究了双向八车道小净距公路隧道施工期间围岩的稳定情况；吴占瑞等[4]采用FLAC3D对浅埋大断面隧道进行了施工工法优化分析，结果表明双侧壁导坑法对地表沉降、洞周收敛和围岩稳定的影响方面要优于其他工法，而中隔壁法(CD法)施工主要对衬砌安全方面效果最佳。在浅埋偏压方面：高文学等[5]利用MADAS-GTS建立了浅埋偏压隧道进口段数值计算模型，分析了隧道开挖状态下围岩应力场、位移场、塑性区分布以及浅埋偏压段反压回填稳定土后的应力分布规律；雷明锋等[6]通过模型隧道试验，研究了3种偏压角条件下，浅埋隧道围岩压力、衬砌结构应力的动态变化规律和分布形式以及衬砌和围岩的破坏机制；左清军等[7]对浅埋偏压隧道洞口段软弱围岩失稳进行了理论分析，并建立了隧道围岩稳定状态判别式，实现了突变模型和监测数据的融合。在软弱破碎围岩方面：李鹏飞等[8]分析了软弱围岩的变形特征与控制方法；余绿山[9]通过对软弱围岩中偏压隧道围岩压力的公式进行推导，分析了公式中所涉及参数之间的关系，研究这些参数的变化对侧压力系数和衬砌荷载强度的影响；吴永波等[10]开展了软弱隧道围岩拱顶塌方模型试验及其数值模拟研究。

但考虑到工程的特殊性和理论计算及数值模拟时一般都采用了理想化假定，故实际工程现场监测数据对于研究软弱围岩大断面隧道围岩压力的真实分布情况具有重要意义，而近几年这方面的分析为数不多。本文在已有研究成果的基础上，以某公路隧道施工现场监控量测为依托，同时结合超前地质预报，对洞口浅埋偏压条件下的大断面隧道软弱围岩与支护结构体系稳定性进行综合分析，以期为类似隧道工程的设计、施工和监测等提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程为双向六车道公路隧道，设计等级一级，时速80 km/h；采用分离式，左、右线平面线型均为直线。左线起止里程为ZK0+680～ZK1+160，左线长480 m，其中Ⅴ级围岩50 m，Ⅳ级围岩430 m。右线起止里程为K1+663～K2+126，右线长463 m，其中Ⅴ级围岩60 m，Ⅳ级围岩403 m。双洞全线围岩分级见表1。设计内净空断面宽×高：14.87 m×9.77 m；建筑界限13.75 m×5 m，最大开挖跨度约15.73 m，根据《公路隧道施工技术细则》JTG/T F60—2009，该隧道为大断面隧道。现场洞门采用CD法施工，进洞后改用台阶法。暗洞衬砌支护参数见表2。

隧道穿越一山脊，山脊大致呈南北走向，总体地势北高南低，区内高程约为360～464 m，相对高差约104 m，地形起伏较大。山体地表多为粉质黏土覆盖，多处基岩出露，出露岩层呈近平层带状分布，地表多为林地，植被发育。工程地理位置如图1所示。

1.2 工程地质条件及评价

表1 隧道围岩分级表

注：软弱结构面修正系数K2和地应力修正系数K3均为0。

表2 暗洞衬砌支护参数表 cm

注：二次衬砌均采用C35钢筋混凝土。

图 1 工程地理位置图

1.3 气象水文条件

工程区主要水系为嘉陵江，地表水主要由大气降水补给，地下水主要为松散堆积层的孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道进口段岩体极破碎，雨水会沿裂隙下渗，可能出现淋雨或涌水状；洞身和出口段岩体较完整，地下水可能呈滴水状。

2 监测方案

新奥法是公路隧道建设中最普遍的方法，监控量测是其“三大要素”(施工监测、锚杆、喷射混凝土)之一。因此，科学合理、经济有效地开展隧道监测工作显得必要且重要。近年来，隧道及基坑工程等建设领域已进行了大量的监控量测工作，取得了较大的成效，但仍存在许多问题。例如：在施工中量测计划脱离实际，不按设计要求编制量测计划，计划不落实、流于形式，量测作用不明显等。本文主要针对监测方案中的必测项目作详细分析介绍，测点布置如图2所示。

2.1 监控量测目的

监控量测的主要目的有：1)了解围岩稳定性、支护结构承载能力和安全性信息；2)确定初期支护补强及二次衬砌合理的施作时间；3)为施工中调整围岩级别、变更设计方案及参数、优化施工方案及施工工艺提供依据；4)积累量测数据，为今后隧道的设计、施工与研究提供工程类比的依据。

2.2 监测项目及方法

本工程监控量测必测项目见表3，各测点、测线依据设计图纸、规范[12]要求、工程经验和现场实际条件布置，如图2所示。其中地表下沉采用DS05自动安平水准仪配合铟钢尺观测；拱顶下沉采用DS05自动安平水准仪配合挂尺观测；周边位移采用SWJ-IV隧道收敛计观测，并用温度计准确记录现场温度。各测点严格按照设计图纸要求进行埋设。各项目监测频率现场取1次/d，出现异常情况时2次/d。位移管理等级见表4。

图 2 测点布置示意图

表3 某隧道现场监控量测必测项目表

表4 某隧道现场监控量测位移管理等级表

注：U—实测位移值;U0—极限位移值，取预留变形量。

2.3 监测结果分析

2.3.1 地表沉降

洞口地表沉降观测贯穿于隧道建设的始终，测点在隧道洞门施工前埋设完成，并记录好初次观测时间和初始值，以便准确掌握洞门及边仰坡围岩状态和初期支护结构工作情况。如图2所示，该隧道共布置14个地表沉降监测点，其中Y1-4对应布置在右洞中心线上，Z1-1和Z2-3对应布置在左洞中心线上，Y1-6对应布置在中间岩柱的中心线上。各点横向间距见图2。洞门由于地形条件限制，右洞上方只能布置1条测线，左洞上方布置2条测线且纵向间距为15 m。

由图3(a)可知，隧道右线K2+097测线地表沉降大多数测点均较小，约3 mm左右；当监测至第27 d时，中线上方Y1-4测点呈现明显上升趋势(此时左线掌子面刚好经过右线地表沉降监测断面附近)，至40 d左右时趋于稳定，累计最大上升量达30.04 mm。Y1-7测点呈先上升后下降趋势，累计最大下沉量为14.49 mm。岩柱中心线上方Y1-6测点累计最大下沉量仅4.30 mm。由图3(b)可知，隧道左线ZK1+125测线地表沉降除中心线上方Z1-1测点达18.02 mm外，其余均较小。但ZK1+140测线Z2-3测点沉降较大，现场地表可见多条裂缝，宽度达3～4 cm；拱顶出现局部掉块，如图4所示。部分具体沉降值见表5。

图 3 地表下沉时程曲线

分析可能原因：1)先行洞右线出现拱顶上抬，初步分析原因是后行洞左线施工影响及偏压造成。图5所示为地表下沉各测点最终稳定值，呈现明显的右洞上升左洞下降现象，与洞门偏压状态吻合。2)左洞地表出现有害裂缝、拱顶掉块，初步分析原因是该隧道洞门属浅埋地段，最大埋深仅12 m；坡体表层为残坡积粉质黏土，厚度约1.8 m，下约2 m为强风化泥岩，节理较发育，岩心多碎块，用手可捏碎，下伏中风化砂岩，岩质较软；因此不能很好地发挥“拱效应”。

图 4 现场地表裂缝及拱顶掉块图

日期9月10日9月11日9月12日9月13日9月14日相对上一次沉降/mm28.682.4021.8260.445.43工况施工停工施工施工预警

注：地表下沉为“+”，地表上升为“-”。

图 5 各测点地表下沉累计值

2.3.2 拱顶下沉和周边收敛

拱顶下沉和周边收敛可直观反映隧道施工过程中围岩变形及支护体系工作情况，因此监控量测工作应准确、及时开展。具体而言：1)拱顶下沉和周边收敛测点布设在同一断面，洞门段与地表下沉监测断面一致；2)最新监测断面尽量靠近掌子面，2 m左右为宜，且下一个开挖循环前必须完成测点埋设和初始值的量测。本隧道Ⅴ级围岩地段，同一监测断面布设拱顶下沉观测点3个，彼此间横向间距1.5 m；周边收敛测线当采用CD法开挖时布置4条，台阶法开挖时布置上下共2条。Ⅳ级围岩地段同一监测断面布设拱顶下沉观测点1个，周边收敛测线2条。现场各监测断面纵向间距Ⅴ级围岩地段取5 m，Ⅳ级围岩地段取10 m，地质情况较好时放宽5 m，出现较大变形时加密监测断面和监测频率。

本隧道左、右线拱顶下沉和周边收敛最大值见表6。由表6可知，先行右洞的拱顶下沉和周边收敛最大值均大于后行左洞，表明后行左洞施工对先行右洞施工有一定影响。虽Ⅴ级围岩较Ⅳ级围岩更软弱，但监测结果显示，Ⅴ级围岩地段洞内变形极值相对更小，表明该隧道洞门Ⅴ级围岩地段施工工法和支护参数设计合理，支护效果良好。

表6 拱顶下沉和周边收敛最大值 mm

注：拱顶下沉为“+”，上升为“-”；周边收敛净空变小为“+”，净空变大为“-”。

图6(a)和6(b)所示为该隧道左、右线纵向各监测断面拱顶下沉和周边收敛累计值。由图6(a)可知，洞门Ⅴ级围岩地段拱顶下沉右线呈上升趋势，左线呈下降趋势，变形同地表沉降趋势吻合。右线Ⅳ级围岩地段K2+012监测断面于2016年10月27日—2016年11月8日期间发生较大拱顶上抬，前后4榀工字钢之间拱顶喷射混凝土发生明显挤压掉块，最终上抬量达44.01 mm，现场通过及时浇筑该范围内仰拱混凝土使得变形得到有效控制。其余地段拱顶下沉变化量均不大，洞身稳定性良好。由图6(b)可知，上台阶周边收敛变化量普遍大于下台阶。分析原因为：隧道底部设置仰拱，使得整体结构具有良好的受力基础，从而有效约束了拱脚处洞周位移扩展，与王可意等[13]的数值模拟结果“设仰拱的隧道拱脚处没有出现塑性区”一致。

同时，处理现场数据显示，周边收敛数值受温度影响较明显，故建议量测时尽量选择在工况相同、温差不大(不超过2 ℃)的环境条件下进行，并准确记录量测现场温度。对于该隧道整体而言，数据显示：当拱顶下沉时，洞周净空变大；当拱顶上升时，洞周净空减小，变形情况与隧道开挖、支护后的力学行为[14]吻合。除了分析处理监测数据，研究其分布特征和变化规律，还需结合超前地质预报，保证施工期间围岩和支护体系安全。

图 6 各监测断面拱顶下沉及周边收敛累计值

3 超前地质预报

隧道工程地质条件的优劣直接影响施工安全、质量和进度，虽然隧道施工前设计单位提供了地质、水文资料，但有时因勘察设计精度的限制或其他各种原因，导致设计单位提交的隧道设计图中所给出的地质、水文资料与实际情况并不完全相符；因此，施工地质技术工作显得十分重要[15-16]。超前地质预报作为隧道施工地质工作的一个大类，对隧道信息化管控、灾害防治和安全保障具有重要作用。

本隧道左、右线均采用地质调查结合雷达探测的方法进行地质预报，预报距离约30 m。地质调查由具有丰富经验的专业地质工程技术人员利用地质罗盘、地质锤、数码相机等，直接观察掌子面围岩情况，并填写地质与支护情况观察记录表，对前方围岩情况作出判断。雷达探测采用SIR-3000型地质雷达和100 MHz天线进行。图7为右洞K2+080～K2+050范围内超前地质预报测线布置示意图。图8是其测得的雷达图像。

综合波形及掌子面情况分析可知，K2+080～K2+050探测范围内，无断层、褶皱等地质构造，无溶洞、高地应力等不良地质，无软弱夹层和富水地层等。测线1中部位置电磁波反射凌乱，围岩完整性相对较差；测线2在K2+080～K2+068段掌子面情况类似为残坡积土，在K2+068～K2+050段拱部残坡积土消失，开挖断面范围内全为岩石。K2+068过渡段由于上覆岩体厚度较薄，受施工扰动易产生破损，故建议控制开挖速度和合理设计爆破，开挖后及时封闭拱部掌子面，保证初支与围岩密贴共同形成承载拱，确保隧道施工安全。

图 7 超前地质预报测线布置示意图

图 8 超前地质预报雷达测试图像

4 大断面软岩隧道施工监测分析在隧道施工中的应用

4.1 在洞门施工中的应用

该隧道洞门段面临浅埋偏压和软弱围岩不良地质条件，因此选用合理的开挖工序对保证洞门段围岩及山体稳定具有重要意义。现场采用管棚超前支护和CD法方案进洞。目前，对于浅埋偏压开挖工序的研究，主要集中在连拱隧道上，且研究结论有所差别[17]。本隧道考虑现实场际情况，最终选择先开挖深埋侧右洞。当浅埋侧左洞开挖后发现，先行洞出现明显拱顶上抬，后行洞地表出现有害裂缝和大变形。故对于软弱围岩浅埋偏压分离式隧道，本文与大多数研究均表明先开挖浅埋侧较为合理；且监测显示：随着隧道埋深的增加，偏压效应逐渐减弱，当后行洞掌子面掘进约5倍B时，偏压效应基本消失。

4.2 在洞身施工中的应用

本隧道洞身Ⅳ级围岩段设计采用CD法开挖，经前期动态监测和多方讨论，决定变更为台阶法施工。目前，对于软弱围岩条件下台阶法施工的适用性、安全性及参数优化等，在理论推导和数值模拟方面取得了一定经验。其中，邹成路等[18]采用数值模拟的方法对台阶法上台阶开挖高度进行优化，通过对比0.55、0.60、0.65、0.70、0.75H5种不同的开挖高度对隧道初支和围岩的影响，得出在施工中采用0.65H的台阶高度是良好的。本隧道上台阶开挖高度取0.65H，且施工过程中控制二衬距掌子面的距离不超过120 m，仰拱距掌子面的距离不超过90 m，上台阶长度不超过50 m。拱顶下沉和周边收敛监测显示，隧道洞身围岩稳定、初支工作状态安全，较好地验证了邹成路等[18]的数值分析结论。

5 结论

总结上述监测数据分析可以得出如下结论：

1)本隧道进口Ⅴ级围岩地段采用CD法分步开挖和管棚超前支护，后行洞浅埋地表需加固。洞身Ⅳ级围岩地段及出口Ⅴ级围岩地段，CD法变更为上、下台阶法施工，支护参数设计合理。

2)隧道围岩变形除与初期支护结构参数密切相关外，还与台阶高度、初支封闭时间和仰拱、二衬与掌子面之间的距离有关。现场监测数据反映，仰拱、二衬距离掌子面越远，围岩变形越大。同时下台阶开挖后对上台阶收敛及拱顶下沉影响也较明显。

3)围岩变形大都呈现“急剧增大→增速放缓→趋于稳定”的变化趋势。就本隧道而言，当掌子面通过监测断面1～5 d时，各值都急剧增大，而后随着掌子面向前推进，增速逐步放缓，21 d左右变形基本达到稳定状态。

4)超前地质预报技术是一门正在发展中的技术，各种预报方法各有其优缺点，单凭其中的一种方法很难准确解决所有的地质问题；因此，应根据工程实际情况综合利用各种预报方法，相互补充，相互印证，不断总结经验，提高预报水平。