李先彬，舒志樂，劉保縣，何 霄，肖磊磊，李 浩

(西華大學巖土及地下工程研究所， 四川 成都 610039)

我國是一個多山國家，山區(qū)面積約占國土總面積的70%。在山區(qū)建設(shè)公路必然會遇到地形障礙，與以往的普遍做法—盤山繞行或切坡深挖相比，隧道方案不僅可縮短行車里程，提高線形標準，增強運營安全，還可節(jié)省用地，保護生態(tài)環(huán)境等；因此，采用隧道方案穿越山嶺，自20世紀90年代以來迅速發(fā)展。而后，隨著交通量的日益增大，傳統(tǒng)兩車道隧道已逐漸不能滿足功能需求，三車道、四車道等大跨扁平隧道應(yīng)運而生[1]。

由于大斷面隧道形狀扁平，又因受到線路條件限制而經(jīng)常穿越軟弱破碎巖體，致使圍巖應(yīng)力更集中，松弛應(yīng)力更大，支護體系受力更為復雜，故如何在軟弱圍巖條件下進行大斷面隧道施工已經(jīng)成為工程界內(nèi)一個難點和熱點問題。

國內(nèi)外相關(guān)學者和工程技術(shù)人員對此做了一些研究[2-11]。例如，在斷面大小方面：張國華等[2]通過數(shù)值模擬，結(jié)合大帽山大斷面隧道群的現(xiàn)場聲波監(jiān)測，研究了推進式往復爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導坑法施工的大斷面隧道的圍巖累積損傷范圍;蔣坤等[3]以魁岐2#隧道為依托，研究了雙向八車道小凈距公路隧道施工期間圍巖的穩(wěn)定情況；吳占瑞等[4]采用FLAC3D對淺埋大斷面隧道進行了施工工法優(yōu)化分析，結(jié)果表明雙側(cè)壁導坑法對地表沉降、洞周收斂和圍巖穩(wěn)定的影響方面要優(yōu)于其他工法，而中隔壁法(CD法)施工主要對襯砌安全方面效果最佳。在淺埋偏壓方面：高文學等[5]利用MADAS-GTS建立了淺埋偏壓隧道進口段數(shù)值計算模型，分析了隧道開挖狀態(tài)下圍巖應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布以及淺埋偏壓段反壓回填穩(wěn)定土后的應(yīng)力分布規(guī)律；雷明鋒等[6]通過模型隧道試驗，研究了3種偏壓角條件下，淺埋隧道圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的動態(tài)變化規(guī)律和分布形式以及襯砌和圍巖的破壞機制；左清軍等[7]對淺埋偏壓隧道洞口段軟弱圍巖失穩(wěn)進行了理論分析，并建立了隧道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)判別式，實現(xiàn)了突變模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合。在軟弱破碎圍巖方面：李鵬飛等[8]分析了軟弱圍巖的變形特征與控制方法；余綠山[9]通過對軟弱圍巖中偏壓隧道圍巖壓力的公式進行推導，分析了公式中所涉及參數(shù)之間的關(guān)系，研究這些參數(shù)的變化對側(cè)壓力系數(shù)和襯砌荷載強度的影響；吳永波等[10]開展了軟弱隧道圍巖拱頂塌方模型試驗及其數(shù)值模擬研究。

但考慮到工程的特殊性和理論計算及數(shù)值模擬時一般都采用了理想化假定，故實際工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對于研究軟弱圍巖大斷面隧道圍巖壓力的真實分布情況具有重要意義，而近幾年這方面的分析為數(shù)不多。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以某公路隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測為依托，同時結(jié)合超前地質(zhì)預報，對洞口淺埋偏壓條件下的大斷面隧道軟弱圍巖與支護結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性進行綜合分析，以期為類似隧道工程的設(shè)計、施工和監(jiān)測等提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

本工程為雙向六車道公路隧道，設(shè)計等級一級，時速80 km/h；采用分離式，左、右線平面線型均為直線。左線起止里程為ZK0+680～ZK1+160，左線長480 m，其中Ⅴ級圍巖50 m，Ⅳ級圍巖430 m。右線起止里程為K1+663～K2+126，右線長463 m，其中Ⅴ級圍巖60 m，Ⅳ級圍巖403 m。雙洞全線圍巖分級見表1。設(shè)計內(nèi)凈空斷面寬×高：14.87 m×9.77 m；建筑界限13.75 m×5 m，最大開挖跨度約15.73 m，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細則》JTG/T F60—2009，該隧道為大斷面隧道?，F(xiàn)場洞門采用CD法施工，進洞后改用臺階法。暗洞襯砌支護參數(shù)見表2。

隧道穿越一山脊，山脊大致呈南北走向，總體地勢北高南低，區(qū)內(nèi)高程約為360～464 m，相對高差約104 m，地形起伏較大。山體地表多為粉質(zhì)黏土覆蓋，多處基巖出露，出露巖層呈近平層帶狀分布，地表多為林地，植被發(fā)育。工程地理位置如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件及評價

表1 隧道圍巖分級表

注：軟弱結(jié)構(gòu)面修正系數(shù)K2和地應(yīng)力修正系數(shù)K3均為0。

表2 暗洞襯砌支護參數(shù)表 cm

注：二次襯砌均采用C35鋼筋混凝土。

圖 1 工程地理位置圖

1.3 氣象水文條件

工程區(qū)主要水系為嘉陵江，地表水主要由大氣降水補給，地下水主要為松散堆積層的孔隙潛水和基巖裂隙水。隧道進口段巖體極破碎，雨水會沿裂隙下滲，可能出現(xiàn)淋雨或涌水狀；洞身和出口段巖體較完整，地下水可能呈滴水狀。

2 監(jiān)測方案

新奧法是公路隧道建設(shè)中最普遍的方法，監(jiān)控量測是其“三大要素”(施工監(jiān)測、錨桿、噴射混凝土)之一。因此，科學合理、經(jīng)濟有效地開展隧道監(jiān)測工作顯得必要且重要。近年來，隧道及基坑工程等建設(shè)領(lǐng)域已進行了大量的監(jiān)控量測工作，取得了較大的成效，但仍存在許多問題。例如：在施工中量測計劃脫離實際，不按設(shè)計要求編制量測計劃，計劃不落實、流于形式，量測作用不明顯等。本文主要針對監(jiān)測方案中的必測項目作詳細分析介紹，測點布置如圖2所示。

2.1 監(jiān)控量測目的

監(jiān)控量測的主要目的有：1)了解圍巖穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)承載能力和安全性信息；2)確定初期支護補強及二次襯砌合理的施作時間；3)為施工中調(diào)整圍巖級別、變更設(shè)計方案及參數(shù)、優(yōu)化施工方案及施工工藝提供依據(jù)；4)積累量測數(shù)據(jù)，為今后隧道的設(shè)計、施工與研究提供工程類比的依據(jù)。

2.2 監(jiān)測項目及方法

本工程監(jiān)控量測必測項目見表3，各測點、測線依據(jù)設(shè)計圖紙、規(guī)范[12]要求、工程經(jīng)驗和現(xiàn)場實際條件布置，如圖2所示。其中地表下沉采用DS05自動安平水準儀配合銦鋼尺觀測；拱頂下沉采用DS05自動安平水準儀配合掛尺觀測；周邊位移采用SWJ-IV隧道收斂計觀測，并用溫度計準確記錄現(xiàn)場溫度。各測點嚴格按照設(shè)計圖紙要求進行埋設(shè)。各項目監(jiān)測頻率現(xiàn)場取1次/d，出現(xiàn)異常情況時2次/d。位移管理等級見表4。

圖 2 測點布置示意圖

表3 某隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測必測項目表

表4 某隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測位移管理等級表

注：U—實測位移值;U0—極限位移值，取預留變形量。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1 地表沉降

洞口地表沉降觀測貫穿于隧道建設(shè)的始終，測點在隧道洞門施工前埋設(shè)完成，并記錄好初次觀測時間和初始值，以便準確掌握洞門及邊仰坡圍巖狀態(tài)和初期支護結(jié)構(gòu)工作情況。如圖2所示，該隧道共布置14個地表沉降監(jiān)測點，其中Y1-4對應(yīng)布置在右洞中心線上，Z1-1和Z2-3對應(yīng)布置在左洞中心線上，Y1-6對應(yīng)布置在中間巖柱的中心線上。各點橫向間距見圖2。洞門由于地形條件限制，右洞上方只能布置1條測線，左洞上方布置2條測線且縱向間距為15 m。

由圖3(a)可知，隧道右線K2+097測線地表沉降大多數(shù)測點均較小，約3 mm左右；當監(jiān)測至第27 d時，中線上方Y(jié)1-4測點呈現(xiàn)明顯上升趨勢(此時左線掌子面剛好經(jīng)過右線地表沉降監(jiān)測斷面附近)，至40 d左右時趨于穩(wěn)定，累計最大上升量達30.04 mm。Y1-7測點呈先上升后下降趨勢，累計最大下沉量為14.49 mm。巖柱中心線上方Y(jié)1-6測點累計最大下沉量僅4.30 mm。由圖3(b)可知，隧道左線ZK1+125測線地表沉降除中心線上方Z1-1測點達18.02 mm外，其余均較小。但ZK1+140測線Z2-3測點沉降較大，現(xiàn)場地表可見多條裂縫，寬度達3～4 cm；拱頂出現(xiàn)局部掉塊，如圖4所示。部分具體沉降值見表5。

圖 3 地表下沉時程曲線

分析可能原因：1)先行洞右線出現(xiàn)拱頂上抬，初步分析原因是后行洞左線施工影響及偏壓造成。圖5所示為地表下沉各測點最終穩(wěn)定值，呈現(xiàn)明顯的右洞上升左洞下降現(xiàn)象，與洞門偏壓狀態(tài)吻合。2)左洞地表出現(xiàn)有害裂縫、拱頂?shù)魤K，初步分析原因是該隧道洞門屬淺埋地段，最大埋深僅12 m；坡體表層為殘坡積粉質(zhì)黏土，厚度約1.8 m，下約2 m為強風化泥巖，節(jié)理較發(fā)育，巖心多碎塊，用手可捏碎，下伏中風化砂巖，巖質(zhì)較軟；因此不能很好地發(fā)揮“拱效應(yīng)”。

圖 4 現(xiàn)場地表裂縫及拱頂?shù)魤K圖

日期9月10日9月11日9月12日9月13日9月14日相對上一次沉降/mm28.682.4021.8260.445.43工況施工停工施工施工預警

注：地表下沉為“+”，地表上升為“-”。

圖 5 各測點地表下沉累計值

2.3.2 拱頂下沉和周邊收斂

拱頂下沉和周邊收斂可直觀反映隧道施工過程中圍巖變形及支護體系工作情況，因此監(jiān)控量測工作應(yīng)準確、及時開展。具體而言：1)拱頂下沉和周邊收斂測點布設(shè)在同一斷面，洞門段與地表下沉監(jiān)測斷面一致；2)最新監(jiān)測斷面盡量靠近掌子面，2 m左右為宜，且下一個開挖循環(huán)前必須完成測點埋設(shè)和初始值的量測。本隧道Ⅴ級圍巖地段，同一監(jiān)測斷面布設(shè)拱頂下沉觀測點3個，彼此間橫向間距1.5 m；周邊收斂測線當采用CD法開挖時布置4條，臺階法開挖時布置上下共2條。Ⅳ級圍巖地段同一監(jiān)測斷面布設(shè)拱頂下沉觀測點1個，周邊收斂測線2條?，F(xiàn)場各監(jiān)測斷面縱向間距Ⅴ級圍巖地段取5 m，Ⅳ級圍巖地段取10 m，地質(zhì)情況較好時放寬5 m，出現(xiàn)較大變形時加密監(jiān)測斷面和監(jiān)測頻率。

本隧道左、右線拱頂下沉和周邊收斂最大值見表6。由表6可知，先行右洞的拱頂下沉和周邊收斂最大值均大于后行左洞，表明后行左洞施工對先行右洞施工有一定影響。雖Ⅴ級圍巖較Ⅳ級圍巖更軟弱，但監(jiān)測結(jié)果顯示，Ⅴ級圍巖地段洞內(nèi)變形極值相對更小，表明該隧道洞門Ⅴ級圍巖地段施工工法和支護參數(shù)設(shè)計合理，支護效果良好。

表6 拱頂下沉和周邊收斂最大值 mm

注：拱頂下沉為“+”，上升為“-”；周邊收斂凈空變小為“+”，凈空變大為“-”。

圖6(a)和6(b)所示為該隧道左、右線縱向各監(jiān)測斷面拱頂下沉和周邊收斂累計值。由圖6(a)可知，洞門Ⅴ級圍巖地段拱頂下沉右線呈上升趨勢，左線呈下降趨勢，變形同地表沉降趨勢吻合。右線Ⅳ級圍巖地段K2+012監(jiān)測斷面于2016年10月27日—2016年11月8日期間發(fā)生較大拱頂上抬，前后4榀工字鋼之間拱頂噴射混凝土發(fā)生明顯擠壓掉塊，最終上抬量達44.01 mm，現(xiàn)場通過及時澆筑該范圍內(nèi)仰拱混凝土使得變形得到有效控制。其余地段拱頂下沉變化量均不大，洞身穩(wěn)定性良好。由圖6(b)可知，上臺階周邊收斂變化量普遍大于下臺階。分析原因為：隧道底部設(shè)置仰拱，使得整體結(jié)構(gòu)具有良好的受力基礎(chǔ)，從而有效約束了拱腳處洞周位移擴展，與王可意等[13]的數(shù)值模擬結(jié)果“設(shè)仰拱的隧道拱腳處沒有出現(xiàn)塑性區(qū)”一致。

同時，處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，周邊收斂數(shù)值受溫度影響較明顯，故建議量測時盡量選擇在工況相同、溫差不大(不超過2 ℃)的環(huán)境條件下進行，并準確記錄量測現(xiàn)場溫度。對于該隧道整體而言，數(shù)據(jù)顯示：當拱頂下沉時，洞周凈空變大；當拱頂上升時，洞周凈空減小，變形情況與隧道開挖、支護后的力學行為[14]吻合。除了分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究其分布特征和變化規(guī)律，還需結(jié)合超前地質(zhì)預報，保證施工期間圍巖和支護體系安全。

圖 6 各監(jiān)測斷面拱頂下沉及周邊收斂累計值

3 超前地質(zhì)預報

隧道工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣直接影響施工安全、質(zhì)量和進度，雖然隧道施工前設(shè)計單位提供了地質(zhì)、水文資料，但有時因勘察設(shè)計精度的限制或其他各種原因，導致設(shè)計單位提交的隧道設(shè)計圖中所給出的地質(zhì)、水文資料與實際情況并不完全相符；因此，施工地質(zhì)技術(shù)工作顯得十分重要[15-16]。超前地質(zhì)預報作為隧道施工地質(zhì)工作的一個大類，對隧道信息化管控、災(zāi)害防治和安全保障具有重要作用。

本隧道左、右線均采用地質(zhì)調(diào)查結(jié)合雷達探測的方法進行地質(zhì)預報，預報距離約30 m。地質(zhì)調(diào)查由具有豐富經(jīng)驗的專業(yè)地質(zhì)工程技術(shù)人員利用地質(zhì)羅盤、地質(zhì)錘、數(shù)碼相機等，直接觀察掌子面圍巖情況，并填寫地質(zhì)與支護情況觀察記錄表，對前方圍巖情況作出判斷。雷達探測采用SIR-3000型地質(zhì)雷達和100 MHz天線進行。圖7為右洞K2+080～K2+050范圍內(nèi)超前地質(zhì)預報測線布置示意圖。圖8是其測得的雷達圖像。

綜合波形及掌子面情況分析可知，K2+080～K2+050探測范圍內(nèi)，無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，無溶洞、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)，無軟弱夾層和富水地層等。測線1中部位置電磁波反射凌亂，圍巖完整性相對較差；測線2在K2+080～K2+068段掌子面情況類似為殘坡積土，在K2+068～K2+050段拱部殘坡積土消失，開挖斷面范圍內(nèi)全為巖石。K2+068過渡段由于上覆巖體厚度較薄，受施工擾動易產(chǎn)生破損，故建議控制開挖速度和合理設(shè)計爆破，開挖后及時封閉拱部掌子面，保證初支與圍巖密貼共同形成承載拱，確保隧道施工安全。

圖 7 超前地質(zhì)預報測線布置示意圖

圖 8 超前地質(zhì)預報雷達測試圖像

4 大斷面軟巖隧道施工監(jiān)測分析在隧道施工中的應(yīng)用

4.1 在洞門施工中的應(yīng)用

該隧道洞門段面臨淺埋偏壓和軟弱圍巖不良地質(zhì)條件，因此選用合理的開挖工序?qū)ΡＷC洞門段圍巖及山體穩(wěn)定具有重要意義。現(xiàn)場采用管棚超前支護和CD法方案進洞。目前，對于淺埋偏壓開挖工序的研究，主要集中在連拱隧道上，且研究結(jié)論有所差別[17]。本隧道考慮現(xiàn)實場際情況，最終選擇先開挖深埋側(cè)右洞。當淺埋側(cè)左洞開挖后發(fā)現(xiàn)，先行洞出現(xiàn)明顯拱頂上抬，后行洞地表出現(xiàn)有害裂縫和大變形。故對于軟弱圍巖淺埋偏壓分離式隧道，本文與大多數(shù)研究均表明先開挖淺埋側(cè)較為合理；且監(jiān)測顯示：隨著隧道埋深的增加，偏壓效應(yīng)逐漸減弱，當后行洞掌子面掘進約5倍B時，偏壓效應(yīng)基本消失。

4.2 在洞身施工中的應(yīng)用

本隧道洞身Ⅳ級圍巖段設(shè)計采用CD法開挖，經(jīng)前期動態(tài)監(jiān)測和多方討論，決定變更為臺階法施工。目前，對于軟弱圍巖條件下臺階法施工的適用性、安全性及參數(shù)優(yōu)化等，在理論推導和數(shù)值模擬方面取得了一定經(jīng)驗。其中，鄒成路等[18]采用數(shù)值模擬的方法對臺階法上臺階開挖高度進行優(yōu)化，通過對比0.55、0.60、0.65、0.70、0.75H5種不同的開挖高度對隧道初支和圍巖的影響，得出在施工中采用0.65H的臺階高度是良好的。本隧道上臺階開挖高度取0.65H，且施工過程中控制二襯距掌子面的距離不超過120 m，仰拱距掌子面的距離不超過90 m，上臺階長度不超過50 m。拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測顯示，隧道洞身圍巖穩(wěn)定、初支工作狀態(tài)安全，較好地驗證了鄒成路等[18]的數(shù)值分析結(jié)論。

5 結(jié)論

總結(jié)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：

1)本隧道進口Ⅴ級圍巖地段采用CD法分步開挖和管棚超前支護，后行洞淺埋地表需加固。洞身Ⅳ級圍巖地段及出口Ⅴ級圍巖地段，CD法變更為上、下臺階法施工，支護參數(shù)設(shè)計合理。

2)隧道圍巖變形除與初期支護結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)外，還與臺階高度、初支封閉時間和仰拱、二襯與掌子面之間的距離有關(guān)?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，仰拱、二襯距離掌子面越遠，圍巖變形越大。同時下臺階開挖后對上臺階收斂及拱頂下沉影響也較明顯。

3)圍巖變形大都呈現(xiàn)“急劇增大→增速放緩→趨于穩(wěn)定”的變化趨勢。就本隧道而言，當掌子面通過監(jiān)測斷面1～5 d時，各值都急劇增大，而后隨著掌子面向前推進，增速逐步放緩，21 d左右變形基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4)超前地質(zhì)預報技術(shù)是一門正在發(fā)展中的技術(shù)，各種預報方法各有其優(yōu)缺點，單憑其中的一種方法很難準確解決所有的地質(zhì)問題；因此，應(yīng)根據(jù)工程實際情況綜合利用各種預報方法，相互補充，相互印證，不斷總結(jié)經(jīng)驗，提高預報水平。