小净距隧道群中夹岩水平位移规律的现场实测研究

丁玉仁

(平潭综合实验区交通投资集团有限公司 平潭 350400)

小净距隧道是指平行双线隧道间的中间岩柱厚度小于规范建议值[1]的特殊隧道布置形式，其双洞净距一般小于1.5倍洞径。小净距隧道能很好地满足特殊地质和地形条件下公路线桥隧衔接，有利于公路总体线型优化。随着交通基础设施建设的迅猛发展，小净距隧道因其节约建设用地、利于线路展线等优点，已在各类公铁路隧道工程中得到广泛运用[2]。由于小净距隧道双洞净距较小，两洞间的施工干扰较大，因此，在小净距隧道施工过程中控制中夹岩柱的稳定性至关重要。

许多学者采用理论研究、数值模拟、现场监测等方法对隧道中夹岩展开深入研究。孙振宇等[3]通过对41座小净距隧道的双洞内侧围岩压力进行统计分析，建立了小净距隧道荷载计算模型，提出了小净距隧道围岩压力的计算方法，为完善中夹岩墙的加固方法奠定理论基础。龚建伍等[4]针对小净距隧道先后施工相互影响的特点，对浅埋小净距隧道的围岩压力进行理论分析和探讨，建立浅埋小净距隧道围岩压力的分析模型，优化了小净距公路隧道结构支护参数。贺鹏等[5]用改进的非连续变形分析法对大岭隧道浅埋小净距段围岩的变形破坏规律及裂隙演化过程进行了数值模拟，以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据，得到了中夹岩柱变形破坏特征，并对其支护方案进行了优化。

姚云[6]以某软弱围岩大断面小净距隧道工程为背景，基于Abaqus数值平台建立三维隧道数值模型，研究了隧道施工过程中中夹岩柱稳定性变化规律，并提出了合理有效的中夹岩加固方案。王更峰等[7]结合魁岐大跨小净距隧道工程，通过对不同围岩条件下施工方案的数值模拟，分析不同等级围岩条件下，中夹岩柱支护参数对隧道围岩稳定性的影响。刘芸等[8]结合具体工程,提出对中夹岩柱进行区域划分,针对软弱围岩,采用二维有限元计算方法,对中夹岩柱预应力锚杆及注浆加固、中岩墙预应力锚杆加固和中夹岩柱不同加固组合方式进行了研究。马来秋[9]以某小净距隧道工程为例进行了数值模拟计算，得出净距越小，中夹岩柱表现越敏感，且围岩应力、屈服接近度、收敛变形值于某个隧道净距值会产生突变，提出各项指标值发生突变时的净距作为小净距隧道的合理净距。张国华等[10]结合大帽山小净距隧道的现场监控量测，研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性，阐明了分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点、位移场及相邻导洞施工时的相互影响。

另一方面，随着市政交通需求的迅猛增长和城市建设用地的日益紧张，多孔大断面小净距的隧道横断面布置形式越来越多。而小净距隧道中夹岩的变形(尤其是水平位移)能直观反映其施工过程中围岩的稳定性，但目前针对该类型隧道中夹岩位移规律的相关研究还较为缺乏，因此，本文以平潭综合实验区龙兴岭隧道为背景，采用现场实测的方法，研究浅埋条件下多孔大断面小净距隧道中夹岩的水平位移规律，以期为此类隧道的设计和施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 隧道横断面布置

龙兴岭隧道位于福建省平潭综合实验区，为实验区新建麒麟大道的一部分，是市政一级公路隧道。隧道总长约500 m，由2个机动车主洞、2个非机动车人行辅洞和1个电力隧道构成，其横断面布置见图1。

图1 龙兴岭隧道横断面布置(K0+833)(单位：m)

主洞采用曲墙三心圆内轮廓，其净空尺寸为14.2 m×9.46 m(宽×高)，左、右主洞内轮廓间的最小距离为7.31 m。辅洞采用曲墙单心圆内轮廓，其净空尺寸为7.69 m×6.4 m(宽×高)，左侧(右侧)主辅洞内轮廓间的最小距离为9.66 m。另有一电力隧道因其开挖面积较小，距离主辅洞相对较远(大于16.4 m)，本文中不做重点考虑。

1.2 工程地质与水文地质

根据相关勘察设计文件[11]，隧址地貌属构造剥蚀形成的残坡积台地，覆盖层厚度整体较薄，隧道进出口处基岩埋深、风化层厚度较大。隧道穿越于山坡之下，地形起伏较大，局部较为平缓。隧道区覆盖层由第四坡、残积土组成，下伏基岩为侏罗系南园组凝灰熔岩(J3n)和燕山早起侵入花岗岩(γ52)，岩体风化差异很大，不均匀现象显著。

隧址地下水主要为风化裂隙-孔隙水及裂隙密集带中的构造裂隙水，水量较贫乏，受大气降水的补给，对洞身围岩及开挖影响较小，主要对进出洞口围岩及施工有影响。裂隙密集带处水量较丰富，正常涌水量约为300 m3/d，地下水腐蚀性为微腐蚀。隧道区范围内未见有软弱土及砂土液化，未见有大型滑坡、崩塌等其他不良地质现象。

隧道洞身段围岩等级大多为IV～V级，洞口段围岩等级均为V级。以进口段K0+833断面为例，见图2，由上到下依次分布有坡积粉质黏土(厚约2～3 m)、全风化凝灰熔岩(厚2～3 m)砂土状全风化凝灰熔岩(厚3～5 m)、碎块状强风化凝灰熔岩(厚5～10 m)、中风化凝灰熔岩(厚5～10 m)微风化凝灰熔岩。该断面处主洞埋深为10.03 m，采用双侧壁导坑法开挖，辅洞埋深为10.24 m，采用单侧壁导坑法开挖。

图2 地质横断面及测斜孔布置(K0+833)

2 中夹岩变形的现场实测

控制中夹岩稳定对确保小净距隧道施工安全有重要意义。因此，龙兴岭隧道的设计中采取小导管注浆加固的方式对中夹岩进行了加固，加固方案示意见图3。施工过程中，对K0+833断面中夹岩水平位移进行跟踪量测，以探讨浅埋条件下小净距隧道中夹岩的水平位移变化规律。

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图3 主洞中夹岩加固方案示意

2.1 测斜孔布置

在左辅洞、左主洞、右左洞、右辅洞之间的中夹岩内依次布设3个测斜孔(CX01，CX02，CX03)，见图2。其中CX01布设在左主洞K0+835里程处，CX03布设在右主洞K0+831里程处，位于主洞外侧中夹岩；CX02布设在左右主洞K0+833里程处，位于主洞内侧中夹岩。测斜孔的埋设安装过程包括以下4大步骤，操作现场图片见图4。

①钻孔，在选定的里程位置进行钻孔，孔径110 mm，钻孔铅直度偏差小于±1°，钻孔深度比测斜管设计深度大10%左右；②接管，在地表将测斜管用专用束节连接好，并对接缝处进行密封处理，保证导向槽严格对正，不得偏扭；③埋设，将封底盖的测斜管插入钻孔内，注意使2对导槽分别平行和垂直预计位移主方向，同时向测斜管内注入清水以减小钻孔内水或泥浆产生的浮力；④封孔，测斜管插入预定深度后，将测斜管与钻孔间空隙用细砂回填充实。

图4 测斜孔的埋设与测量

2.2 测斜数据采集

进行测斜数据采集前，用清水将测斜管内冲刷干净，并用模拟探头进行试孔检查；正式数据采集包括以下3大步骤。

1) 将探头导轮卡置在测斜管滑槽内，轻轻将探头放入测斜导管中，放松电缆使探头滑至孔底，记下深度标志；将探头停置在孔底约3 min，使其温度与管内基本一致。

2) 将探头轻轻拉起，利用电缆线深度标志每隔0.5 m进行一次测读(注意须等待电压值稳定后才可进行读数)；直至将探头全部拉出。

3) 将探头调转180°重新放入测斜管，重复上述步骤，在相同深度标志处进行反方向测读；采用正反方向测读可抵消探头传感器零漂及轴对准所造成的误差。

2.3 测斜数据整理

2.3.1 原始数据

当被测土体产生变形时，测斜管轴线产生挠度，用探头感知测斜管各段的倾角，每一测段的倾角都应进行正反方向2次测读，并对2次数据进行式(1)的计算。

(1)

式中：Δεxi为X方向第i段正反测读倾角之差的50%，当Δεxi>0时，表示向X轴正向倾斜，反之，表示向X轴负向倾斜。

2.3.2 累加位移值

一般情况下，可测斜管底部作为水位移观测的基准点，各深度处测斜管的水平位移可由式(2)确定。

(2)

式中：X0为基准点的水平位移，通常取0；i为各深度处测点的序号，i=1,2,…；f为测点间距，通常为0.5 m。

2.3.3 累计位移值

(3)

3 中夹岩变形的规律分析

3.1 施工进度概述

左主洞先行，右主洞滞后约10 m，左右主洞均采用双侧壁导坑法开挖。选取2019年8月19日-9月8日的左右主洞开挖时间记录(见表1)，确定双侧壁导坑法的开挖过程。由于左右辅洞已先行开挖至影响范围外，故辅洞开挖对中夹岩测斜变形的影响文中不予考虑。

表1 左右主洞开挖时间表

3.2 现场实测数据分析

选取CX01，CX02，CX03 3个测孔在2019年8月10日-9月8日的数据，绘制中夹岩各深度处累加位移值和累计位移值的变化曲线，见图5～图7。其中，左右主洞隧道的埋置深度约为地表以下9～18 m。

图5 中夹岩水平变形规律(CX01)

图6 中夹岩水平变形规律(CX02)

图7 中夹岩水平变形规律(CX03)

3.2.1 测斜孔CX01数据分析

由图5a)可知，CX01测孔的深度累加位移曲线呈“V”字形。8月21日之前，未开挖至测孔所在断面(K0+835)，该测孔的数据在-1～1 mm之间呈钟摆状变化；8月21日，左主洞开挖至该断面后，中夹岩发生右向偏移，并在8月27日达到最大值4.45 mm；之后随着开挖面的远离，累加位移值往左方向回弹并逐渐稳定在-1～1 mm范围内波动。

由图5b)可知，CX01测孔的时间累计位移曲线呈“D”字形，整体曲线在5～9 m深度位置，呈右向鼓起的变化趋势，其他深度位置基本在-1～1 mm之间轻微变化。需要说明的是，最大累计位移并非发生在主洞隧道的相应埋深处。隧道埋深处地层为中风化凝灰岩，而其上方约5 m范围内的地层主要为较软的砂土状或碎块状的强风化凝灰岩，该深度范围内地层易受开挖影响，向右侧产生较大的水平变形。

3.2.2 测斜孔CX02数据分析

由图6a)可知，CX02测孔深度累加位移曲线呈“V”字形。8月19日，左主洞开挖至测孔所在断面(K0+833)，中夹岩发生左向偏移，并在8月27日达到最大值-2.88 mm；之后随着右主洞掌子面推进，累加位移值往右方向回弹并逐渐稳定在±0 mm左右。

由图6b)可知，由于左右主洞基本沿内侧中夹岩对称开挖，二者掌子面距离不超过10 m，所以CX02测孔处中夹岩的偏移未表现出明显的方向性。

3.2.3 测斜孔CX03数据分析

CX03测孔的水平变形规律整体与CX01测孔类似。其深度累加位移曲线表现为，右主洞开挖后，发生左向偏移，最大值为-5.32 mm；时间累计位移曲线在4～9 m深度位置，呈现左向鼓起的变化趋势。

4 结论

1) 外侧中夹岩的深度累加位移曲线呈现“V”字形，随着掌子面推进，先发生朝向开挖隧道侧的水平偏移，开挖至该断面时，累加位移值达到最大值(约为5 mm)；开挖过该断面后，累加位移值逐渐减小并趋于稳定。总体上说，小导管注浆加固方案能有效控制中夹岩的变形，保障龙兴岭隧道的施工安全。

2) 外侧中夹岩的时间累计位移曲线呈现“D”字形，受上软下硬地层影响，曲线在隧道上方向开挖隧道侧鼓起。

3) 内侧中夹岩，中夹岩先发生朝向先行洞侧的偏移，后随着后行洞掌子面的推进产生回弹并趋于稳定。

4) 中夹岩变形是时空效应共同作用的结果，开挖过程中工作面产生明显影响范围一般为前后8 m，随着掌子面的推进，中夹岩变形逐渐趋于稳定。