既有隧道改扩建工程的动态监测技术

张少波

(中建路桥集团有限公司，石家庄 050000)

1 引言

随着我国交通事业的快速发展，越来越多的既有隧道不能满足日益增长的交通需求，新建及改扩建隧道工程也越来越多。 新建隧道的施工过程，会导致隧道周边围岩产生多次扰动[1]，降低围岩的结构承载能力，对施工安全产生不良影响。 目前我国公路隧道大断面改扩建的施工经验相对不足，需在实践中不断提高并完善施工技术。

本文根据福建厦蓉高速公路改扩建工程， 通过现场监控测量及数据分析的形式， 研究扩建隧道的施工对隧道的影响。

2 项目概况

2.1 隧道状况

后祠隧道属于双洞分离式隧道， 两车道的长度均为990m，且纵坡均为-2.275%。 因现有的车道不能满足日益增长的交通需求，所以要对原隧道进行扩建。 2014 年至2016 年在原隧道的左侧新建一座三车道隧道， 隧道长1542m (ZK130+473～ZK132+015)， 净空(宽×高)14.00m×5.00m；2017～2018 年又将原右洞两车道隧道扩建为四车道隧道形成大断面隧道， 扩建后隧道长967m (YK130+542～YK131+509)，净空(宽×高)9.25m×5.00m。

后祠隧道扩建完成后形成新的三洞小间距隧道。 具体洞室位置关系如图1：

2.2 施工情况

图1 后祠隧道洞室位置关系(单位：m)

原右洞二车道隧道因受前期新建隧道的多次扰动，导致围岩应力场受到影响，围岩承载能力下降，考虑到将二车道扩建成四车道的施工过程中会对围岩的应力场进行再次扰动，所以这次施工采用新奥法施工。二扩四车道隧道洞口围岩抗压能力较差，属于V 级围岩，采用CRD法施工[2]。 首先对原洞二次衬砌进行切缝，切缝厚度要大于二衬厚度，然后对需要爆破的地方进行钻孔，间距不能超过80cm，深度要大于原二衬厚度。 爆破采用普通钻爆发进行，为了降低爆破对相邻既有隧道产生的不良影响，爆破前需在现场进行试验， 获取爆破参数后， 再进行作业，保证现场施工安全。

3 监控方案

为了保证施工的正常进行， 需要对现场进行监控测量， 及时了解围岩状态， 并对其状态的变化进行研究分析，预见险情及事故，以防患于未然。 本次监控测量依据相关测量技术规范以及相关单位对监测的要求进行测量的。 监测项目有：地表边坡沉降、周边位移、拱顶下沉、地质超前预报等[3]。 本文主要介绍地表边坡沉降、周边位移以及拱顶下沉的监测情况。

4 实例分析

4.1 地表边坡沉降

隧道洞口处布设的沉降监测点离洞口10m，间距2～5m(图2)。 施工开挖到监测断面3m 前，各监测点的变化量较小；当施工推进到监测断面后，监测断面的各个测定开始大幅沉降，50 天后下沉速度降低，慢慢趋于稳定。 由图3 可知，监测点经历三次加速沉降，隧道轴线位置下沉量最大，沿轴线向两边慢慢减小，影响范围基本上是与洞底两边成45°夹角，对相邻既有隧道影响不大。 隧道施工的顺序是先开挖左导洞，然后再开挖右导洞，所以导致隧道轴线左侧的沉降量高于右侧的沉降量， 围岩的受力情况与洞顶的沉降量基本一致。

图2 隧道出口地表边坡沉降点布置图

图3 隧道出口地表沉降时程曲线图

由图3 可知，在施工过程中隧道洞口经历三次沉降：

(1)左导洞施工过程中，上台阶开挖到监测断面前5m的时候，沉降监测点开始大幅下降，当掌子面通过监测断面时，下降速度明显增加，这段时间的沉降量大约相当于总沉降量的40%。

(2)右导洞施工过程中，上台阶开挖到监测断面前5m的时候，沉降监测点开始大幅下降，当掌子面推进并通过监测断面时，下降速度明显增加，这段时间的沉降量大约相当于总沉降量的40%。

(3)当下台阶开挖到监测断面时，沉降点第三次加速下降，直至通过监测断面后3 天沉降速度减小，慢慢趋于稳定。 这段时间沉降点下沉量约为总沉降量的20%。

4.2 周边位移

本次选取距离掌子面2m 的典型断面进行分析。 从图4 可以看出，三条测线收敛趋势基本一致，当施工开挖至断面35m 处，测线整体才趋于平稳，整个过程历时35天，收敛最大值为9.21mm，收敛速率为0.26mm/d，在规定范围之内。

图4 典型断面收敛位移曲线图

由图4 可知，横向水平的收敛值最大，左导洞收敛位移大于右导洞[4]。 由于施工先开挖左导洞，导致左导洞产生收敛位移，后期开挖右导洞时同样对左导洞产生影响。当施工开挖逐渐远离收敛断面时， 收敛曲线的波动也越来越小， 直至超过1.5 倍洞径时收敛波动才趋于稳定[5]。该收敛波动表明围岩应力场主要受隧道原位扩建过程中分步开挖的影响。

4.3 拱顶下沉

拱顶下沉测量是指对隧道拱顶的实际位移进行测量，是相对于不动点的绝对位移，其必须与设计标高进行比较。 选取距离掌子面6m 处的典型监测断面进行研究分析，该断面围岩抗压能力差，属于V 级围岩。 由于先进行左导洞开挖，后进行右导洞开挖，所以左导洞监测点的沉降位移最大， 右导洞与拱顶中央的监测点最终沉降基本一致。当施工开挖逐渐远离收拱顶监测面时，监测点的沉降速度也越来越小， 直至掌子面开挖距监测断面40m处，监测断面的沉降才趋于稳定[6]。 沉降最大的监测点在11 天内共下沉了5.3mm，沉降速率为0.48mm/d，符合规范要求，下沉趋势见图5。

图5 典型断面拱顶下沉位移曲线图

5 结语

(1)本文根据龙岩厦蓉高速公路扩建工程后祠隧道大量监控实测数据的分析，找到影响施工安全的主要因素，及时反馈到工地并采取有效的防御措施， 保证现场施工安全、顺利。

(2)后祠隧道出口段，受地形偏压及构造破碎带F118A的影响， 后祠隧道洞身段受节理密集带及构造破碎带F118、F118B 的影响，局部范围内岩体破碎-极破碎。后祠隧道原位扩建的大断面隧道的受力模式比较特殊， 一方面，围岩应力场受既有隧道建设的影响已发生多次扰动，另一方面， 新建及原位扩建过程中分步开挖将对围岩应力场进行再次扰动，从而导致围岩体的累计损伤提高，强度、完整性和自稳能力降低，使既有隧道出现结构承载力下降、轮廓变形过大等安全风险。