大跨度小凈距公路隧道施工監測初探

摘 要：隨著我國高等級公路的飛速發展，由于特殊地質及地形條件的限制，出現了連拱隧道。針對連拱隧道施工的復雜工藝，衍生出一種新的結構形式，即小凈距公路隧道。該種公路隧道跨度大，扁平率低，開挖多采用分部法，針對大跨度小凈距公路隧道的圍巖穩定性問題進行系統深入的研究具有重要的意義。完整地介紹了一整套大跨度小凈距公路隧道施工監測方案。具有現實可實踐操作意義。

關鍵詞：大跨度小凈距公路隧道；施工；監測

0引 言

近年來，現場量測與力學計算緊密配合，已形成了一整套監控設計的原理與方法，這種通過在隧道施工過程中所進行的現場量測獲得圍巖穩定性和支護系統工作狀態的信息，然后將信息反饋于施工決策和支護系統的設計過程稱為“施工監測”，和“信息化設計”，包含施工監視的含義在內。這種方法因其適應地下工程的特點，能結合現場量測技術、計算機技術以及巖土力學理論、在鐵路隧道、公路隧道和軍事地下工程等工程領域得到了廣泛的應用。

1目標大跨度小凈距公路隧道施工概況

目標隧道采用平行雙洞式，單洞凈寬16m，洞高11.4m，呈北西--南東向展布，隧道里程K1＋710～K2＋600，進洞口里程為K1＋710，設計進口路面高程363.220m，出洞口里程為K2＋600，設計路面高程357.20m，全長為890m，路面坡度0.7000 %。兩洞側壁間距6.959m。

目標隧道區段覆蓋層厚0.00～2. 80m。填筑土為軟弱（場地）土，塊石土及亞粘土屬中軟（場地）土，基巖為堅硬（場地）土。根據《公路工程抗震設計規范》（JGJ004-98）判斷，隧道區場地類別為I～III類，屬抗震有利地段。

隧道襯砌結構設計根據結構的受力特點采用復合式襯砌。在施工過程中要求按設計進行監控量測，并對量測信息進行處理、反饋，調整支護參數并貫穿于施工全過程。根據結構的受力特點，以錨桿濕噴鋼纖維混凝土等為初期支護，以鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土為二次襯砌，并根據不同的圍巖類別，輔以超前中空注漿錨桿和工字鋼拱架等輔助支護措施。

2大跨度小凈距公路隧道施工監測目標與內容

2.1 監控量測的一般規定

（1）采用復合式襯砌的隧道，必須將現場監控量測項目列入施工組織設計，并在施工中認真實施。

（2）量測計劃應根據隧道圍巖條件、支護類型和參數、施工方法以及所確定的量測目的進行編制。同時應考慮量測費用的經濟性，并注意與施工進度相適應。

（3）監控量測應達到以下目的：

圖2施工監測和信息化設計流程圖

其一，掌握圍巖和支護的動態信息并及時反饋，指導施工作業；

其二，通過對圍巖和支護的變位、應力量測，修改支護系統設計。

（4）采用復合式襯砌的隧道、施工、設計單位必須緊密配合，共同研究，分析各項量測信息，確認或修改設計參數。

2.2 量測內容與方法

（1）復合式襯砌的隧道應按表1選擇量測項目。表1中1～4項為必測項目；5～11項為選測項目，應根據圍巖條件、地表沉降要求等確定；

（2）爆破后應立即進行工程地質與水文地質狀況的觀察和記錄，并進行地質描述。地質變化處和重要地段，應有照片記載。初期支護完成后應進行噴層表面的觀察和記錄，并進行裂縫描述；

表1隧道現場監控測量項目及量測方法

注：B為隧道開挖寬度

（3）隧道開挖后應及時進行圍巖、初期支護的周邊位移量測、拱頂下沉量測。當圍巖差、斷面大或地表沉降控制嚴時宜進行圍巖體內位移量測和其它量測；

（4）量測部位和測點布置，應根據地質條件、量測項目和施工方法等確定；

（5）測點應距開挖面2m的范圍內盡快安設，并應保證爆破后24h內或下一次爆破前測讀初次讀數；

（6）測點的測試頻率應根據圍巖和支護的位移速度及離開挖面的距離確定；

（7）現場量測手段，應根據量測項目及國內量測儀器的現狀來選用。

3目標隧道施工監測方案設計

3.1監控量測項目及其目的

（1）地質及支護狀況觀察。對所選擇的開挖面的巖性、巖層產狀、結構面、溶洞、斷層等工程地質和水文地質情況以及初期支護完成后噴層表面的裂縫狀況進行觀察和描述；預測開挖面前方的地質條件，并為判斷圍巖的穩定性提供地質資料；觀測有無錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內部現象，分析初期支護的可靠程度。

（2）隧道周邊水平收斂和拱頂下沉量測。為判斷隧道穩定性提供可靠信息；以圍巖變位速率為二次襯砌提供合理的支護時機，利用量測信息的反饋，判斷初期支護設計與施工方法是否穩妥，從而達到修改設計和指導施工的目的。

（3）地表沉降。了解地表下沉的范圍以及下沉量的大小、地表下沉量隨工作面推進的變化規律、地表下沉穩定的時間。

（4）圍巖內部位移量測。了解隧道圍巖松弛區、位移量及圍巖應力隨深度的分布；了解圍體內位移范圍，判斷錨桿長度是否適宜；為準確判斷圍巖的變形發展提供數據。

（5）錨桿軸力量測。了解錨桿受力狀態，為確定合理的錨桿參數提供依據；判斷錨桿布置是否合理以及評價錨桿的支護效果。

（6）襯砌應力的量測。了解噴層的變形特性以及噴層所受應力的大小，判斷復合式襯砌中圍巖荷載大小以及初期支護與二次襯砌各自分擔圍巖壓力情況，量測二襯應力以及噴混凝土層內軸向應力，了解二次襯砌的受力狀態；判斷噴層的穩定性和支護結構長期使用的可靠性以及安全程度。

3.2 監控量測斷面的擬定

根據隧道工程地質情況和大跨度小凈距隧道圍巖與支護結構的受力特點，為滿足隧道數據采集和保證施工安全，根據圍巖類別與支護類型將其分為四種量測斷面，分別為A型、B型、C型、D型。

A型量測斷面（必測＋選測項目）：適用于隧道IV類圍巖段、洞口段及破碎帶。具體量測項目包括洞內地質與支護觀察、凈空變位及拱頂下沉、圍巖內部位移、錨桿軸力、鋼支撐應力、初期支護與圍巖之間的壓力、初期支護與二次襯砌之間的壓力、爆破振動測試。

B型量測斷面（必測＋部分選測項目）：適用于III類圍巖。具體量測項目包括洞內地質與支護結構觀察、凈空變位及拱頂下沉、圍巖內部位移、錨桿軸力、初期支護與圍巖之間的壓力、初期支護與二次襯砌之間的壓力、爆破振動測試。

C量測斷面（全必測項目）：適用于隧道各類圍巖段。具體量測包括：洞內地質狀態與支護結構安全性觀測、凈空變位及拱頂下沉。

D型斷面量測（僅爆破振動測試）：D型斷面為振動波測試，適用于隧道各類圍巖段。設置該量測斷面的目的是為了測試后行洞在爆破中對先行洞的影響。

3.3 量測方法和測點布置

（1）地質狀況素描。對新開挖斷面的巖性、巖層產狀、結構面、斷層等工程地質和水文地質情況以及初期支護完成后噴層表面的裂縫狀況進行觀察和描述。同時觀測有無錨桿被拉脫或墊板陷入圍巖內部現象，錨桿和噴層有無施工質量問題。

（2）水平收斂及拱頂下沉量測。在確定量測的新開挖的斷面拱頂及軸線左右設3個帶掛鉤的錨樁，測樁埋設深度30厘米，用快凝水泥或早強錨固劑固定，測樁頭設保護罩。用收斂計量測銅壁收斂位移。

（3）地表沉降觀測。在選定的量測斷面區域，先設置一個通視條件較好、測量方便、牢固的基準點。測點布置在隧道軸線及其兩側，每個斷面根據實際情況設共7～11個測點。測量范圍為隧道底兩側向上45度與地表相交，測點埋設水泥樁，用紅色油漆做標記，并予以編號，用精密水準儀測量。

（4）圍巖內部位移及錨桿軸力量測。根據圍巖巖性實際情況，在隧道選取10個斷面，每個斷面在拱頂、拱腰、拱腳打5個測孔，孔深3.7～5米，孔徑φ50～φ60。每個測孔內設4個測點并安裝上傳感器，每個斷面一共20個測點。用千分表讀取位移，用鋼筋計量測軸力。

（5）初期支護與圍巖之間應力、二次襯砌之間應力量測。沿隧道周邊拱頂、拱腰埋設傳感器，將壓力盒分別埋設在圍巖與噴射混凝土之間、噴射混凝土與二次襯砌之間。圍巖與噴射混凝土之間的應力盒在噴射混凝土之前埋設，噴射混凝土與二次襯砌之間的應力盒在掛防水板之前進行安裝。

3.4 量測頻率和時間

對于每一斷面，在量測初期應予以實時監控，待應力、應變逐步穩定后可降低量測頻率。

3.5 數據采集及儀器裝備

現場監控量測工作人員根據規范和監控量測計劃規定的頻率堅持每天到洞內采集數據，并將采集的數據及時繪出或輸入計算機進行處理，如果發現量測數據出現異常變化，則及時分析引起變化的原因，使問題能得到有效處理。

監控量測儀器及主要傳感器如下：精密水準儀、全站儀、振弦頻率監測儀、隧道收斂計、百分表、錨桿測力計、壓力盒、爆破振動自記儀、機械式多點位移計、地質羅盤、溫度計、速度傳感器（水平、垂直）等。

3.6 量測斷面的選擇

共埋設45個斷面，其中有3個A型斷面、5個B型斷面、35個C型斷面、2個D型斷面，并進行了地質調查、水平收斂、拱頂下沉、圍巖內部位移、錨桿軸力、圍巖接觸應力、爆破振動測試等方面的監控量測。

4小結

首先，隧道在開挖期間圍巖水平收斂、拱頂總沉降量和圍巖變形速率都在規范要求的范圍內，而且圍巖的變形最終都趨于穩定；

其次，圍巖內部位移隨著測點深度的增加，圍巖相對位移明顯減少；中夾巖柱處的圍巖松動圈最大，接近3.5m，圍巖穩定性差。隧道進口段地表沉降在隧道拱頂正上方的地面沉降最大，而且左洞對應的地表沉降明顯大于右洞，說明右洞的開挖對左洞的地表沉降有明顯的影響；

然后，中夾巖柱處的錨桿軸力最大，在中夾巖柱處，錨桿起到了很好的錨固效果，對圍巖的穩定起到了很重要的作用。接觸應力一般在拱頂相對較大，而兩側的拱腰壓力則較少，圍巖與混凝土襯砌粘結密室。

最后，設計方協商變更設計、施工，尤其要注意圍巖中的水對圍巖穩定性的影響，應及時進行疏導、排除。

參考文獻

[1]公路隧道設計規范[S].JTG D70-2004

[2]萬明富.隧道圍巖凈距討論與小凈距隧道研究[M].北京：人民交通出版社，2005.