某小净距隧道的现场监控量测与分析

某小净距隧道的现场监控量测与分析

韩友续¹　王永刚¹　李　华¹　王者超²

（1甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司　兰州　730030；2加拿大Calgary大学土木工程系　加拿大阿尔伯塔）

摘　要　以某高速公路小净距隧道为背景，结合现场施工开挖过程，开展了洞周收敛、拱顶下沉、围岩压力、衬砌内力、松动圈等项目的现场测试工作，分析了小净距隧道围岩和支护结构的变形和受力特点。分析表明，控制性爆破开挖、初期支护及时施作对于控制围岩的收敛变形、改善围岩和支护结构受力状态的作用是明显的，后行隧道开挖对先行开挖隧道围岩的受力、变形有很大影响，后行隧道开挖导致先行开挖隧道洞周位移和应力增大，中夹岩柱、侧墙和拱顶均是施工中应重点支护和监测的部位。

关键词　小净距隧道　现场监控　分析

1　引　言

近年来，在我国西部山岭区公路建设中，因地形、地质条件限制，路线总体线形布设要求或特殊的桥隧相连等情形，双洞隧道左右线间距往往不能达到规范要求，越来越多的采用小净距隧道方案，如已建或在建的招宝山隧道、金旗山隧道、仙岳山隧道、紫坪铺隧道、缺坝里隧道等。目前，结合在建项目，已开展了合理净距、施工方法、围岩应力、爆破、支护技术、中夹岩柱变形与破坏规律及加固控制技术等诸多方面的研究。

与此同时，小净距隧道的各项研究成果是相对的（如合理净距、围岩应力等），在不同地质、围岩状况、支护措施及施工工艺等条件下，其研究成果则不同。正因为小净距隧道研究更多的是建立在具体工程实践基础上，才为其研究成果的多样性和应用提供了广阔前景。

本文以某高速公路小净距隧道的现场监测工作为依据，介绍了现场监控量测的方法，并基于监测结果，对施工过程中围岩和支护体系的变形和受力进行了分析。

2　工程地质概况

受地形及路线布设影响，隧道进口段采用小净距逐步过渡到分离式隧道的布设方案。小净距段长46 m、最小净距3．2 m，最大埋深115 m。隧道围岩主要为三叠系层状灰岩，薄—中层，受地表水风化影响，岩溶裂隙发育，溶蚀槽夹泥较多，微小溶洞发育，泥质充填，岩体完整性较差，局部呈块状镶嵌碎裂结构，围岩级别为Ⅳ级，局部Ⅴ级，成洞条件偏差。溶槽、裂隙局部滴、渗水。

施工开挖采用上、下台阶法，开挖循环进尺1．0～1．2 m，拱部采用光面爆破，边墙部采用预裂控制爆破，最大限度保护洞周围岩的完整性，左、右洞开挖面间距25～30 m。小净距段初期支护采用长300 cm、φ22砂浆锚杆，纵环向间距100 cm×100 cm，φ8钢筋网、20 cm×20 cm，18 cm×18 cm格栅钢拱架、纵向间距75 cm，中夹岩柱部分采用双层φ8钢筋网，φ25预应力锚杆、纵环向间距100 cm×100 cm、预应力为80 kN；超前支护采用φ42×4 mm超前注浆小导管、环间距40 cm、L＝420 cm、搭接120 cm、每环35根；二次衬砌采用45 cm厚C25模筑混凝土，初期支护与二次衬砌之间采用1．2 mm厚EVA复合防水板。

3　监控量测布置方案

针对小净距段围岩情况，主要开展了地质及支护状态观察、地质素描、拱顶下沉量测、周边位移收敛量测、锚杆内力量测、二次衬砌接触压力量测、围岩松动圈超声波测试等项目。监控量测断面布置如图1和图2所示。

图1　小净距段监控量测断面布置

A：拱顶下沉量测；A～C：周边位移收敛量测

◆—松动圈测试；★—锚杆、钢拱架、

二次衬砌压力量测

图2　小净距段监控量测测点布置

4　测试结果及分析

4．1　周边位移收敛

图3　1—1断面左洞周边位移收敛情况

图4　1—1断面右洞周边位移收敛情况

从量测结果看（如图3和图4所示及表1），小净距段隧道的整体稳定性较好，初期支护的及时施作有效地抑制了围岩的收敛变形。小净距段最大收敛量15．83 mm，远小于允许相对收敛量。收敛稳定时间较短，各监测断面基本在20 d左右收敛变形趋于稳定。

表1　小净距段各监测断面收敛位移　　单位：mm

4．2　拱顶下沉

从量测结果看（如图5和图6及表2所示），拱顶下沉的变化规律与周边位移收敛表现出一致性，各监测断面拱顶下沉值不大，小于该类围岩允许值，说明隧道围岩整体稳定，初期支护施作及时，支护设计参数有效；右洞下沉值较左洞大，说明先行开挖、支护的左洞受到后行开挖、支护的右洞影响，围岩应力调整周期长，导致围岩收敛变形较大。

图5　1—1断面左洞拱顶下沉收敛情况

图6　1—1断面右洞拱顶下沉收敛情况

表2　小净距段各监测断面拱顶下沉收敛位移

4．3　锚杆内力

从测试数据可知（如图7所示及表3），锚杆内力最大为203．54 MPa，小于其屈服强度值，但安全贮备较少；从锚杆内力变化曲线的波动情况来看，小净距段围岩应力调整过程比较明显，围岩受力状态较为复杂；小净距1—1断面中夹岩柱一侧锚杆受力较大，为2—2测试断面的2倍左右，说明小净距开始段中夹岩柱上方岩体稳定性较差，为整个小净距段最为薄弱的部位，应当引起足够重视。

图7　典型断面锚杆内力变化曲线

表3　锚杆内力测试结果　　单位：MPa

4．4　钢拱架内力

从钢拱架内力测试结果可知（如图8所示及表4），钢拱架最大内力183 MPa，小于其容许应力。由于岩层产状影响，左拱腰部位钢拱架受力大于右侧，而顶部较小；钢拱架受力稳定的时间在20 d左右，这与围岩应力调整、收敛变形趋于稳定的时间相吻合，钢拱架在初期支护过程中控制围岩收敛变形的作用明显。

图8　典型断面钢拱架内力变化曲线

表4　钢拱架内力测试结果　　单位：MPa

4．5　松动圈测试

从声波测孔的波速曲线可以看出（如图9所示），小净距段围岩的松动圈范围为0～1．5 m，初期支护锚杆为3 m，说明施工采取的光面控制爆破、预裂爆破及初期支护锚杆有效控制了围岩松动圈的扩展，施工开挖方案和支护设计参数合理、有效。

图9　小净距段围岩松动圈超声波测试曲线

4．6　二次衬砌接触压力测试

从测试结果看（如图10及表5所示），小净距段二次衬砌接触压力均较小，不超过7．5 MPa，说明二次衬砌施作时围岩的收敛变形基本趋于稳定，二次衬砌施作时机掌握合理；二次衬砌接触压力随时间不断波动直至趋于稳定，说明随着时间的推移，在变形协调过程中二次衬砌强度储备的作用逐渐发挥；中夹岩柱附近由于受力体系较为复杂，围岩应力和变形较大，因此该侧二次衬砌接触压力较大，为重点监测部位。

图10　典型断面二次衬砌接触压力测试曲线

表5　二次衬砌接触压力测试结果　　单位：MPa

5　结　论

通过小净距段现场监控量测数据的分析可以看出，小净距段整体稳定性较好，围岩的扰动范围为0～1．5 m，最大收敛量15．83 mm，拱顶最大下沉9．36 mm；支护受力状态一般较好，钢结构最大应力约为183MPa，锚杆最大内力203．5 MPa，均小于容许应力，且受局部地质条件影响明显；二次衬砌接触压力不超过7．5 MPa，说明二次衬砌施作时围岩的收敛变形基本趋于稳定，二次衬砌支护时机合理。

从监测结果可以看出，小净距段开始部位1—1断面岩柱较薄，经受多次的开挖扰动，受力最为薄弱，为小净距段的重点监测和加固部位。

参考文献

［1］夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术［M］．上海：同济大学出版社，2002．

［2］夏才初，龚建伍，唐颖，等．大断面小净距公路隧道现场监测分析研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（1）：44-51．

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［5］胡建明．大跨度小净距公路隧道施工监测及围岩稳定性研究［D］．重庆：重庆大学，2006．