超大断面浅埋隧道围岩变形的监测研究

刘 国 栋

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

超大断面隧道，学界判断标准较多，一般以国际隧道协会和日本隧道相关规范的标准为准，国际隧道协会对超大断面隧道的判断标准为隧道净空断面面积不小于100 m2，日本隧道相关规范规定开挖面积大于140 m2的隧道为超大断面隧道。本文对超大断面隧道的定义采用日本隧道规范标准。

三车道超大断面隧道在国内施工较少，相关设计施工经验的积累也较为欠缺，本文结合岩头山隧道的现场监测成果，对三车道超大断面隧道施工过程中开挖工法对围岩及衬砌的变形的影响进行了分析研究，为不同地质条件下采用何种开挖工法的施工优化提供了相关依据，并以期为类似工程的设计和施工提供参考。

2 工程背景

岩头山隧道莆炎高速三明境尤溪中仙至建宁里心段YA17标段，设计左线桩号：ZK229+225～ZK231+429，全长2 204 m，设计右线桩号：K229+210～K231+409，全长2 199 m。设计内轮廓断面净宽15.44 m，净高9.94 m。洞身开挖面积SX5-3，SX5-2，SX5-1三种Ⅴ级隧道衬砌类型分别为161.97 m2,159.54 m2,156.32 m2,148.69 m2,均大于140 m2,为超大断面隧道。

该隧道进口200 m左右为Ⅴ级围岩，主要以⑦-2砂质粘性土、-1-1全风化花岗岩、-1-2砂土状强风化花岗岩、-1-3碎块状强风化花岗岩为主(见表1)。

表1 主要围岩力学参数表

本次监控量测研究段落为ZK229+252～ZK229+272段落，均属于Ⅴ级围岩，埋深在20 m～30 m之间，均属于浅埋段落。

本段隧道原设计断面尺寸及开挖工法如图1所示，开挖工法采用中隔壁法，开挖前掌子面拱部施作φ25中空注浆锚杆，边墙施作φ22砂浆锚杆，开挖后采用喷射混凝土及铺挂钢筋网封闭，并采用工字钢支撑，二衬为55 cm厚C35钢筋混凝土。

3 现场情况及工法变更

2019年5月，隧道左洞现场施工原设计工法由双侧壁导坑法改为中隔壁法，中隔壁法先行导坑施工6榀3 m至ZK229+253里程处，掌子面发生大的掉块，监控量测数据变化较大，掌子面难以自稳，施工单位及时采取掌子面喷浆封闭及反压回填等措施进行处理，经四方现场确认，现场掌子面多为砂质粘土，且含水量较大，围岩自稳性极差。超前地质预报反馈推测掌子面前20 m范围围岩以全风化砂质粘土为主，岩质极软，岩体极破碎，呈松散状结构为主，层间结合差，围岩自稳能力差。

故决定从ZK229+253～ZK229+273段落开挖工法由中隔壁法改为双侧壁导坑法，加强监控量测及超前地质预报。

4 监控量测及结果分析

超大断面隧道浅埋段施工，所用工法工序复杂，开挖顺序及过程往往直接影响到围岩及结构的稳定性，且该隧道浅埋段地质情况极差，围岩自稳性差，自稳时间长，采用监控量测的手段是保证施工安全的必要手段。

本次监控量测分别对隧道拱顶沉降，围岩收敛及地表沉降进行了布点观测，并从ZK229+252～ZK229+272段洞内每5 m进行一次布点，地表沉降每10 m进行一次布点，布点情况如图2～图4所示,施工工序如图5所示。

隧道监测从2019年5月开始进行，该段落检测至8月底结束，隧道监测工作采集到大量现场数据，本文重点以洞内及地表ZK229+252～ZK229+272段检测数据为依据进行分析研究，沉降数据结果如表2，表3所示(由于篇幅有限，本文数据仅展示监测最终位移结果)。

表2 岩头山隧道进口左洞拱顶沉降监测值

表3 岩头山隧道进口左洞地表监测值

对以上监测数据分析可知：

1)对于同一断面拱顶沉降A测点稍大于C测点，A,C两测点远大于B测点，主要是因为A测点处于先行导洞，C测点处于后行洞，先行洞承受的围岩压力大，后行洞开挖时先行洞已趋于稳定，故C测点沉降较A测点小。

2)对于不同断面相同位置处拱顶沉降，ZK229+252断面明显大于其他三个断面，且越往大里程，拱顶沉降值越小，分析可知ZK229+252断面处于中隔壁法开挖段落，单导坑跨度大，临时支撑数量少，拱部承受集中荷载大，且处于工法变化段落，对围岩扰动相对来说较大，故沉降值明显大于其他三个断面。越往大里程沉降值越小是因为随着隧道开挖逐渐加深，隧道埋深也逐渐增大，隧道浅埋带来的负面效应逐渐减小，且5月，6月处于三明地区雨季，埋深越浅，地表补水对围岩的稳定性影响越大，埋深越深，地表水的影响也逐渐变小。

3)对围岩收敛数据分析来看，ZK229+252明显小于其他三个断面，而ZK229+252采用中隔壁法开挖，其他三个断面均采用双侧壁导坑法开挖，且初支锚杆、喷混、钢架型号均相同，通常来说应该是双侧壁导坑法更好控制围岩的收敛变形，而数据结果恰恰与此相反。对于此种情况，研究小组从围岩受力分析的角度难以得出与数据相似的结论，通过多次与施工单位及现场工人的沟通调查发现，双侧壁导坑法由于将整个开挖面分为了三个导坑，单个导坑工作面狭小，而隧道初支钢架锁脚锚杆单根长4 m，在狭小空间内进行锁脚锚杆的施工很难保证锁脚锚杆满足设计的插入角度，所以采用双侧壁导坑法现场施工时，很多锁脚锚杆斜插入岩体中，受力较差；而中隔壁法施工时作业空间大，均可以按照设计施工，满足锁脚锚杆设计的插入角度，这样就很好的解释了为什么采用双侧壁导坑法反而围岩收敛值更大的问题了。

4)对地表两组检测数据对比可明显看到ZK229+252处地表沉降大于ZK229+262，这与拱顶ZK229+252处沉降较大的数据相互对应，原因与第二点分析原因相类似，主要是工法的不同对隧道拱顶支撑能力的差别而导致沉降数据存在明显差异。

5)在监测过程中对数据进行分析发现：

a.采用中隔壁法施工的段落拱顶日沉降值最大一次达到19.3 mm，而采用双侧壁导坑法施工的段落最大日沉降值仅为7.8 mm，两者差距很大。

b.采用中隔壁法施工的段落围岩从开挖后到日沉降值稳定在1 mm以下间隔了23 d，采用双侧壁导坑法从开挖后到日沉降值稳定在1 mm以下时间最长的断面间隔时间仅为18 d。充分证明采用双侧壁导坑法更有利于围岩自稳。

5 结语

1)采用双侧壁导坑法进行超大断面浅埋隧道施工相较于中隔壁法更有利于围岩控制围岩的变形，尽管采用双侧壁导坑法施工工序复杂，开挖进度缓慢，但在浅埋段可以更好的控制围岩变形，更有利于施工安全。

2)围岩变形是时空效应相互累加的结果，采用双侧壁导坑法相较于中隔壁法更有利于隧道短时间内自稳，且相同地质条件下，同处于浅埋地段，隧道埋深越深，自稳时间越短。

3)双侧壁导坑法施工空间狭小，采用传统的4 m长锁脚锚杆现场施工很难保证插入角度，使得锁脚锚杆的效果大打折扣，这点应引起设计及施工的充分注意，是否在设计或施工时对于采用双侧壁导坑法施工的段落锚杆长度可相应调整，并增加锁脚锚杆数量来保证初支钢架充分受力。

4)对于同一隧道相同断面，无论是采用双侧壁导坑法还是中隔壁法，先行洞的沉降及变形均大于后行洞，所以本文建议在隧道施工过程中应加强先行洞的监控量测及必要的临时支护手段来保证先行洞的变形处于可控范围内，在隧道开挖工法设计时也应该对此有所考量。