小净距立体隧道交叉段现场监测分析

孟庆一

摘要：为保证小净距立体隧道开挖过程中围岩之间的稳定性及支护体系的安全性，本文以新建隧道上跨既有隧道为工程背景，对隧道交叉段洞内外状态、拱顶下沉以及净空变形等观察及量测，分析新建隧道上跨施工时对下部既有隧道围岩力学动态响应及支护结构稳定性的影响。得到以下结论：①隧道上跨施工时，拱顶沉降累计最大值出现在靠近底板处，交叉中心点累计沉降值最小;②最大净空收敛出现在拱肩位置，拱腰和边墙位置水平收敛依次减小;③在交叉隧道施工及设计中，应对隧道底板及拱肩部分加强支护，并加强监控量测;④合理的开挖及支护方案能够有效地控制隧道交叉段围岩的拱顶下沉及水平收敛，能够降低新建隧道上跨开挖时对原有隧道的影响。

Abstract： In order to ensure the stability between the surrounding rock during the excavation process of the small clear distance tunnel and the safety of the supporting system， this paper takes the newly built tunnel over the existing tunnel as the engineering background， through the inner and outer state of the tunnel crossing section， the paper observes and measures the sinking and clearance deformation， and analyzes the influence of the construction of the new tunnel on the dynamic response of the surrounding rock and the stability of the supporting structure. The following conclusions are obtained： ①When the tunnel is over-span， the cumulative maximum value of the vault settlement appears near the bottom plate， and the cumulative settlement value of the intersection center point is the smallest; ②The maximum clearance convergence occurs at the shoulder position， the horizontal convergence of the the arch waist and the side wall position is reduced in turn; ③In the construction and design of the cross-over tunnel， the support of the tunnel floor and the shoulder portion should be strengthened and the monitoring and measurement should be strengthened; ④Reasonable excavation and support scheme can effectively control the collapse of the dome of the surrounding rock of the tunnel and the horizontal convergence and can reduce the impact of the new tunnel on the existing tunnel.

關键词：交叉隧道;拱顶下沉;水平收敛;监控量测

Key words： overlapped tunnel;vault collapse;horizontal convergence;monitoring measurement

中图分类号：TU74                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0102-03

0  引言

在小净距立体隧道交叉段施工中，如何保证新建隧道的施工安全，同时又能降低对既有隧道的扰动，是施工中必须重视的关键问题[1]。对进行隧道监控量测是判断隧道围岩变形及稳定的重要方法之一，同时也是隧道动态施工的重要基础[2]。

国内外学者对立体交叉隧道的监控量测技术进行了大量研究：de Rooij等[3]介绍了现有隧道监测系统，并描述了满足高密度城市高速公路交通隧道具体监测所需的设施;Wang等[4]用数字技术建立了隧道的三维景观莫型，并在此基础上实现了隧道的先进安全监控系统;姚勇等[5]，陈平[6]都以实际隧道工程为例，对隧道小净距段进行了现场监测试验研究;徐慧芬等[7]，尹钥[8]对公路与铁路立体交叉隧道进行了监控量测，并分析了其围岩安全性。

对于小净距立体隧道工程施工而言，由于两隧道围岩彼此之间应力场及位移场存在一定影响，所以对隧道围岩进行监控量测以获取围岩力学行为及位移变化是必不可少的环节。本文以新建草莓沟1#隧道上跨既有盘道岭隧道为工程背景，主要对盘道岭隧道JDLDK01+375～425交叉段进行监控量测，包括对隧道交叉段洞内外状态、拱顶下沉以及净空变形等观察及量测。经过对监控量测所得数据及施工状态进行分析，以此来研究新建隧道上跨施工时对下部原有隧道围岩力学动态响应及支护结构稳定性的影响。本文研究结果可为小净距立体交叉隧道施工及设计提供参考。

1  工程概况

盘道岭隧道处于辽宁省丹东市振兴区，全长4870m，为单线隧道，隧道內埋深约17.5～106.5m;草莓沟1#隧道位于辽宁省丹东市草莓沟村，全长3205m，为单洞双线隧道，最大埋深约105m。草莓沟1#隧道在DK250+865～DK250+915处上跨盘道岭隧道，相交处轨面高差为14.19m，结构净距4.24m，其交叉段空间位置如图1所示。

立体隧道交叉区段地势起伏较大，属丘陵地貌单元，最大山顶标高为134m;隧道交叉段围岩主要以Ⅴ、Ⅵ级为主，以块状结构或碎块状结构为主，属于较为破碎的软弱围岩，围岩自稳能力较差;该段主要岩层以灰白色的混合花岗岩为主，夹少量大理岩及粉砂岩，岩质较硬。

因立体隧道净间距较小、围岩条件较差，隧道埋深较浅，在小净距立体交叉隧道工程中具有较强的代表性。因此，为保证新建隧道上跨施工期间交叉段围岩稳定和支护结构体系的安全性，对隧道交叉段洞内外状态、拱顶下沉以及净空变形等展开监控量测。

2  隧道交叉段现场监测主要项目

监控量测技术是隧道工程施工过程中不可缺少的工序环节，一般可以分为必测项目和选测项目。其中必测项目包括隧道洞内外观测、地表沉降、拱顶下沉、隧道净空位移变化等;选测项目则包括围岩压力、钢架内力、锚杆轴力等[9-10]。

由于草莓沟1#隧道及盘道岭隧道净间距过小，在草莓沟1#隧道上跨施工时，可能会对既有盘道岭隧道交叉段围岩力学行为及支护系统产生影响。因此，为了研究新建隧道上跨施工对既有隧道围岩的力学及位移变化情况，本文主要选用洞内外状态、拱顶下沉以及净空变形展开监控量测，具体监测项目如表1所示。

3  立体隧道交叉段现场监测结果分析

3.1 洞内外状态观察

对隧道洞内观察具体包括围岩初喷混凝土是否有剥落;围岩是否存在裂隙及裂隙宽度大小;是否存在渗水和淋水;是否存在底鼓现象。通过对隧道洞内情况进行观察，大致判断隧道围岩的稳定性。

在草莓沟1#隧道上跨盘道岭隧道施工时，可能会对盘道岭近接交叉段围岩和支护的整体产生影响，因此需要对上下隧道交叉段围岩进行洞内观察，以保证交叉段的安全。两隧道洞内详细情况具体如图2所示。

通过对两隧道交叉段进行洞内观察表明：既有盘道岭隧道交叉段的实际洞内并未发现围岩初喷混凝土剥落现象，未出现无渗水和淋水情况，围岩情况较好;而盘道岭草莓沟1#隧道交叉段洞内DK250+865～DK250+885段掌子面围岩较破碎，节理、裂隙发育。

由于对交叉段隧道围岩开挖后，立即对掌子面喷射混凝土，同时施做锚杆等围岩加固措施，洞身围岩稳定性和整体性均得到提高。通过对洞内状态观察表明，此种措施较好地控制了围岩变形。通过肉眼观察并结合监测数据，并未发现交叉段有底鼓现象。

3.2 拱顶下沉监测分析

为了研究隧道上跨施工对既有隧道拱部围岩的力学变化，对既有盘道岭隧道进行拱顶沉降的监测分析是其中最为关键的一步。由于草莓沟1#隧道开挖而导致盘道岭隧道上部围岩初始应力场的平衡状态遭到破坏，应力进行重新分布。围岩应力释放可能使隧道围岩向临空面滑动，使隧道发生较大变形。因此必须对既有盘道岭隧道进行拱顶下沉的监测，时刻掌握围岩的动态变化。

对隧道交叉段拱顶下沉测量主要使用S3光学水准仪（拱顶下沉测量）、塔尺及钢尺（高程测量），其测量所用设备如图3所示。

根据规范对围岩不同断面进行拱顶下沉测点布置，具体如图4所示。同时根据交叉段围岩具体情况选取盘道岭隧道交叉段JDLDK01+375～425为主要观察对象，每隔10m设置一个监测断面（记为断面1～5）。

通过对测量数据的整理与分析，具体沉降累计曲线如图5所示。

由图5分析可知：①关于交叉点对称的两位置拱顶沉降累计曲线线性相似，距离中心点10m处拱顶沉降累计值最大，交叉中心点累计沉降值最小。②总体上各断面沉降值都远小于最大沉降临界值，产生的拱顶下沉量小于其余各断面，表明了上部隧道开挖有效控制了下部隧道拱顶围岩荷载释放。③通过测得的最大拱顶沉降值为20mm，满足拱顶位移值标准（50～100mm）;表明在草莓沟1#隧道上跨施工时对既有隧道的支护变形影响较小，且因其衬砌结构的合理性也使得围岩在拱顶的变形基本得到了控制。

新建草莓沟1#隧道上跨施工时采用环形导坑底板围岩加固的开挖支护方案，开挖时对既有隧道围岩影响较小，表明合理的开挖及支护方案能够有效地控制隧道交叉段围岩的拱顶下沉。

3.3 净空变形监测分析

为及时掌握围岩的动态变化，在开挖后的围岩表面安设水平收敛监测点，对其中可能发生大变形和应力集中的关键点进行监测，通过对围岩收敛变形量的分析来判断围岩及支护结构的稳定性。对隧道交叉段水平收敛测量主要使用JSS30A收敛计（水平收敛测量）、自制挂钩（固定收敛计），其测量所用设备如图6所示。

对盘道岭隧道交叉段JDLDK01+375～425所选取的1～5断面的不同测线位置（Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ）水平收敛监测值分析，其测点布置具体如图4所示。

通过对测量数据的整理与分析，得到其累计收敛曲线如图7所示。

由图7中水平收敛累计曲线可以看出：①断面中边墙位置收敛最小，其中边墙最大收敛为3.16mm，拱腰和拱肩位置水平收敛依次增大，拱腰最大收敛为12.26mm，拱肩最大收敛为16.61mm;②根据监测数据，距离交叉中心点10m位置的断面2和断面4在边墙和拱腰位置变形量都不大甚至还呈现出了微弱的扩张趋势，表明了隧道邊墙周围围岩变形得到了有效控制;③通过收敛变化曲线图可以看出各测点曲线没有反拐现象发生，水平收敛逐渐趋于平缓，说明上跨隧道爆破开挖对下部隧道围岩扰动影响不大，上部草莓沟1#隧道采用周边孔光爆技术、增加炮孔数量的措施有效控制了围岩变形;④其中所测的净空收敛最大变形值为16.88mm，符合位移值管理标准（50～100mm）;表明草莓沟1#隧道上跨施工时对既有盘道岭隧道影响较小，满足围岩的收敛变形条件。

4  结论

本文主要通过对既有盘道岭隧道交叉段洞内外状态、拱顶下沉以及净空变形等的观察及量测，并对监控量测数据进行分析，得出以下结论：①隧道拱顶沉降监测结果表明，隧道上跨施工时，拱顶沉降累计最大值出现在靠近底板处，交叉中心点累计沉降值最小;同时每次上导坑开挖后，上部隧道出现明显沉降，而在支护后一定时间内无沉降出现;②围岩收敛监测结果表明，隧道上跨施工造成下部隧道最大净空收敛出现在拱肩位置，拱腰和边墙位置处水平收敛逐渐减小;③在立体隧道交叉段施工及设计中，应对隧道底板及拱肩部分加强支护，并加强监控量测;④合理的开挖及支护方案能够有效地控制隧道交叉段围岩的拱顶下沉及水平收敛，能够减少新建隧道上跨施工时对既有隧道的影响。

参考文献：

[1]张俊仁.铁路隧道工程施工监测技术应用与分析[J].测绘与空间地理信息，2019，42（07）：185-189.

[2]刘志强.浅埋偏压隧道变形监测方法及变形规律研究[J].价值工程，2019，38（25）：179-180.

[3]de Rooij， J. Tunnel monitoring and control system[P]. Electrical and Electronic Systems for Road Tunnels， IEE Colloquium on，1992.

[4]Haitao Wang， Jinqing Jia. Dynamic Monitoring and Numerical Simulation of Tunnel Under Difficult Ground Condition[P]. Modelling， Simulation and Optimization， 2008. WMSO '08. International Workshop on， 2008.

[5]姚勇，何川，张玲玲.紫坪埔隧道小净距段现场监测试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S1）：3295-3300.

[6]陈平.小净距隧道开挖工法合理性研究[J].铁道工程学报， 2018，35（04）：65-69.

[7]徐慧芬，郑少华，马超.公路与铁路立体交叉隧道施工安全性分析[J].公路，2017，62（10）：299-302.

[8]尹钥.公路与铁路立体交叉隧道施工安全性[J].山西建筑， 2018，44（09）：174-175.