淺埋隧道施工圍巖變形及襯砌內力監測分析*

李曉東，陳曉斌，李志勇

（1.鐵道部安全質量監督總站廣州監督站，廣東 廣州 510000；2.中南大學，湖南 長沙 410083）

淺埋隧道施工圍巖變形及襯砌內力監測分析*

李曉東1，陳曉斌2，李志勇2

（1.鐵道部安全質量監督總站廣州監督站，廣東 廣州 510000；2.中南大學，湖南 長沙 410083）

結合界牌坳隧道開挖施工特點，布設變形觀測元件及應力觀測元件，對施工過程中圍巖變形及襯砌結構內力進行了監測，并對監測結果進行了分析。

偏壓隧道；變形監測；襯砌內力監測；合理工序

1 引言

工程實踐表明，淺埋偏壓隧道施工及質量控制技術是目前隧道建設面臨并亟待解決的主要技術難題。肖同剛[1]在建立圍巖隧道施工變形險情預報模糊模型，采用集總變形量、變形速率和變形速率比值三位一體的圍巖穩定性判別準則。趙子榮等[2]研究了復合式襯砌承受圍巖壓力的大小和分布規律，并探討了大斷面隧道通過軟弱圍巖的合理施工方法及支護結構。林培源等[3]根據現場實測的地層側向壓力和隧道襯砌內力，對隧道襯砌開裂和位移進行了分析。劉小兵[4]提出從洞周量測位移反算復合襯砌支護壓力的計算方法。趙廣炎等[5]對某平戰結合的地下工程進行了土壓力和結構物變形的測試和數據分析。趙占廠等[6]針對黃土隧道圍巖壓力問題，在對兩座黃土隧道進行現場測試的基礎上，分析了其圍巖壓力的大小和分布形式。靳曉光等[7]結合高地應力區某地下工程實踐，提出了一套地下工程圍巖表面二次應力場的應力恢復監測方法。黃宏偉等[8]通過現場施工量測，在分析了收斂位移、拱頂位移、圍巖內部位移及鋼支撐內力等大量實測數據的基礎上，研究了圍巖及初期支護的變形及隨時間變化的規律。王立忠等[9]結合桑州嶺隧道工程，對淺埋隧道的錨桿加固進行理論分析，對隧道開挖過程中山體穩定進行監控。

淺埋偏壓給隧道施工增大了不少難度，揭示淺埋偏壓隧道圍巖及結構施工力學響應，以采取合理工序是目前一大急需解決的技術問題[10]，[11]。文章以界牌坳隧道為依托工程，結合隧道開挖施工特點布設變形觀測點及應力觀測點，對施工過程中的圍巖變形及支護結構內力進行分析，從圍巖及結構變形分析研究淺埋隧道合理工序。

2 工程概況與測點布置

2.1 工程概況

界牌坳隧道全長395 m，進口位于沖溝頂端，為強風化硅化砂質板巖，節理裂隙十分發育，呈角礫狀，并夾有潮濕的呈蠕動松散結構的軟塑狀黏性土和呈潮濕松散結構的粉細砂性土，裂隙發育、地下水非常豐富。出口位于山上斜坡上，為Ⅴ級圍巖淺埋地段，巖石層理、節理非常發育，整體性差，巖石層、節理之間全為濕潤的黏土填充，且受到非常豐富的裂隙水的作用，地形起伏較大。進出口洞門中線與地形線大角度相交，存在嚴重的偏壓。右洞最大埋深60 m，左洞最小埋深3 m，進、出洞口范圍埋深4～25 m，屬淺埋地段。

隧道淺埋段支護結構采用復合式襯砌，主要尺寸見圖1。淺埋偏壓段初期支護采用間距為75 cm的20 b拱架，網格間距20×20 cm的Φ8鋼筋網，28 cm厚C20噴射砼，錨桿采用長為350 cm，環向間距為100 cm的Φ25中空注漿錨桿。其二次襯砌采用45 cm厚的C25鋼筋砼。

圖1 隧道復合式襯砌結構

界牌坳隧道工序為：先開挖中導洞、施做中隔墻，然后分臺階開挖支護靠近山體內側埋深較大的洞室，再分臺階開挖支護靠近山體外側埋深較小的洞室。

2.2 測點布置

在界牌坳隧道施工過程中，進行位移及變形監測和應力監測。位移及變形監測項目包拱頂下沉量測和周邊收斂量測。應力監測項目包括噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測和二次襯砌內力量測。各測點布置見圖2、圖4。

圖2 收斂與拱頂沉降測點布置

3 施工變形監測分析

3.1 內側洞開挖變形

內側洞開挖變形監測項目包括拱頂沉降和水平收斂，在此僅選擇了變形最大的典型測試斷面進行分析，見圖3、圖4。

圖3 內側洞K58+562斷面拱頂沉降

圖4 內側洞K58+562斷面周邊收斂

從圖3可見，拱頂沉降曲線具有明顯的兩個階段，內側洞開挖過程中，測試斷面拱頂沉降逐漸趨于穩定，表明光是內側洞開挖圍巖是比較穩定的。在外測洞開挖卸載作用下，開挖完成的內側洞圍巖變形經歷一次突變后增大，最后慢慢穩定。從拱頂下沉時態曲線來看，界牌坳隧道內側洞最大拱頂下沉量85 mm，多數測點穩定時間約100 d左右。圖4顯示內側洞開挖過程中，收斂位移最大的YK58+562測試斷面周邊收斂曲線也具有類似特點，明顯地反映了外側洞開挖對內側洞的影響，水平收斂值在經歷突變后均逐漸趨于穩定，最大收斂值為28 mm。

3.2 外測洞開挖變形

外測洞開挖變形測試結果也選擇變形最大的典型斷面，見圖 5、圖 6。

圖5 外測洞K58+535斷面拱頂沉降

從圖5可見，外側洞開挖過程中，測試斷面拱頂沉降均逐漸趨于穩定，表明外側洞開挖過程中圍巖穩定。從拱頂下沉時態曲線來看，界牌坳隧道外側洞最大拱頂下沉量約46 mm，多數測點穩定時間約30 d。圖6顯示外側洞開挖過程中，位移最大的K58+535段測試斷面周邊收斂均逐漸趨于穩定，最大收斂值為14 mm。

圖6 外測洞K58+535斷面周邊收斂

3.3 變形監測結果討論

內、外側主洞開挖變形結果說明，內側洞變形在它自身開挖過程中是逐步穩定的，但是隨著外側洞開挖，內側洞變形具有突變點，變形曲線具有兩個階段。內側洞最大拱頂沉降值為85 mm，穩定時間為100 d左右，外測洞拱頂最大沉降值為46 mm，穩定時間為30 d左右。說明了外側洞開挖擾動對施工完成的內側洞影響明顯。產生這種現象的原因在于淺埋偏壓隧道相對于一般連拱隧道，其施工過程中偏壓影響。

變形測試結果說明，應該選取合理施工工序，以便獲得較為有利的圍巖應力分布形式，降低施工中偏壓的影響。比較內、外側隧洞開挖變形的差異，從安全考慮應該采用先山體外側洞室開挖并施工襯砌，然后內側洞室開挖施工。

4 襯砌內力監測結果分析

4.1 初襯與二襯間壓力監測

在K58+656斷面沿隧道周邊拱頂、拱腰和邊墻埋設16個JMZX-2050A型智能弦式數碼壓力盒，量測結果見圖7、圖8和圖9。

圖7、圖8內側洞及外側洞都表現出如下規律：初期支護與二次襯砌之間壓力在二次襯砌施作后逐步增大，然后逐步減小并趨于穩定。繪制在隧道原型上面的壓力線，可以直觀反映出隧道襯砌不同位置的壓力分布，見圖9。

圖7 K58+656外側洞斷面壓力

圖8 K58+656內側洞斷面壓力

圖9 K58+656斷面初期支護與二襯間壓力

圖9顯示隧道拱頂部壓力較小，而拱腰及中隔墻部位壓力較大，對于連拱隧道，中隔墻頂部位的二襯壓力較大，施工二襯時必須保證該部位的厚度。圖9還表明隧道內側洞襯砌間壓力普遍大于外側洞襯砌間壓力，并且隨著外側洞的施工具有明顯加大的趨勢，說明了內側洞受力比外側洞襯砌復雜，內側襯砌更容易破損。襯砌壓力測試結果說明，更加合理的工序應該是先施工外側洞，然后再施工內側洞。

4.2 二襯內力監測

為了解二次襯砌內力大小及分布規律，在K58+656斷面沿隧道周邊拱頂、拱腰和邊墻埋設32個JMZX-215型埋入式智能弦式數碼應變計，量測二次襯砌內外側應變，應變計綁扎在二襯內外層主筋上，各應變計量測結果見圖10～圖13。

從二次襯砌應變時態曲線圖可看出，在二次襯砌剛澆注初期，混凝土應變隨時間快速增長，經過8～15 d以后達到穩定狀態，然后隨時間呈減小趨勢，初期混凝土呈拉應變增長。

圖10 外側洞 K58+656斷面二襯砼(內側)應變

圖11 外側洞 K58+656斷面二襯砼(外側)應變

圖12 內側洞 K58+656斷面二襯砼(內側)應變

圖13 內側洞 K58+656斷面二襯砼(外側)應變

在此，將混凝土終凝后的穩定值作為初值，根據二次襯砌內外側應變可算出二襯主筋位置應力，然后根據鋼筋混凝土結構及材料力學有關公式，可計算二次襯砌軸力和彎矩（計算方法見圖14）。依據計算結果繪制圖15、16沿斷面分布的軸力圖和彎矩圖，從軸力圖和彎矩圖可看出二次襯砌軸力主要為壓應力，并且拱腰位置軸力大于其他部位。

圖14 二次襯砌內力計算圖

圖15 K58+656斷面二次襯砌軸力圖

圖16 K58+656斷面二次襯砌彎矩圖

內力檢測結果說明，淺埋偏壓隧道相對于一般連拱隧道，其施工過程中偏壓更嚴重，應該選取合理的施工工序，獲得較為有利的圍巖應力分布形式，降低施工中偏壓的影響。襯砌內力監測結果也表明更加合理的工序應該是先施工外側洞，然后再施工內側洞。

5 結論

（1）內側洞最大拱頂沉降值為85 mm，穩定時間為100 d左右，外測洞最大沉降值為46 mm，穩定時間為30 d左右。說明了外側洞開挖擾動對施工完成的內側洞影響明顯。變形測試結果說明，采用先山體外側洞室后內側洞室工序更加合理。

（2）內側洞及外側洞都表現出如下規律：初期支護與二次襯砌之間壓力在二次襯砌施作后逐步增大，然后局部減小并趨于穩定。隧道內側洞襯砌間壓力普遍大于外側洞襯砌間壓力，并且隨著外側洞的施工具有明顯加大的趨勢，襯砌壓力測試結果說明，更加合理的工序應該是先施工外側洞，然后再施工內側洞。

（3）在二次襯砌剛澆注初期，混凝土應變隨時間快速增長，經過8～15 d以后達到穩定狀態，然后隨時間呈減小趨勢，混凝土呈拉應變增長，拱腰位置軸力大于其他部位。襯砌內力監測結果也表明，更加合理的工序應該是先施工外側洞，然后再施工內側洞。

[1] 肖同剛.隧道施工變形險情預報模型應用研究[J].地下空間與工程學報，2009，Vol5（3）：473-477.

[2] 趙子榮，王夢恕.大瑤山隧道設計與施工[J].土木工程學報，1985，Vol22（3）：1-12.

[3] 林培源.隧道側向壓力問題的探討[J].土木工程學報，1982，Vo115，（1）：36-41.

[4] 劉小兵.復合襯砌支護壓力的簡捷推算法[J].地下空間，1996，Vol16（4）：193-198.

[5] 趙廣炎，張福臻，楊潤田等.某峒室土壓力測試與分析.東北林學院學報，1998，Vol13（Supp）：103-107.

[6] 趙占廠，謝永利.黃土公路隧道襯砌參數影響性狀分析[J].巖土工程學報，2003.Vol40（2）：1291-1295.

[7] 靳曉光，王蘭生，李曉紅.地下工程圍巖二次應力場的現場測試與監測[J].巖石力學與工程學報，2002，Vol21（5）：651～653.

[8] 黃宏偉，徐凌.大風埡口巖石公路隧道圍巖及初期支護變形與內力研究[J].巖石力學與工程學報，2004，Vol23（1）：44～52.

[9] 王立忠，胡亞元.崩塌松散圍巖隧道施工穩定分析與監控[J].巖石力學與工程學報，2003，Vol22（4）：589～595.

[10] J.H.Atkinson，D.M.Potts，Stability of shallow tunnel in cohesionless soil（J），Geotechnique，1977，27（2）：203～215.

[11] E.H.Davis，M.J.Gunn and R.J.Mair etc.，The stability of shallow tunnel and underground openings in cohesive material（J），Geotechnique，1980，30（4）：397～416（in Chinese）.

Rock M ass Deformation and Lining Inner Force Surveying Analysis of Shallow Tunnel Construction in Road Engineering

Li Xiaodong，Chen Xiaobin，Li Zhiyong

According to the Jie Pai Au tunnel’s construction，the arc settlement，convergence and he lining inner force surveying points were built in the tunnel structure to monitor the rock mass deformation and linings’inner force,and the surveying data were analyzed.The rock deformation surveying results showed that the outside tunnel’excavation disturbingon the inner built tunnel was obvious.The lining pressure force of inside tunnel’s were always larger than the outside tunnel’s，and the lining pressure force of inside tunnel became larger with the outside tunnel’s excavation procedure.The lining’s axial force were pressure force and the axial force at hance were larger than other position’s.The surveying analysis suggest that the reasonable construction for the shallow tunnel should be：the outside tunnel’s excavation and lining should be first，and then the insider tunnel’s.

Shallow tunnel；deformation surveying；lining inner force surveying；reasonable construction order

TU 443.3；TU 43

A

1000-8136(2011)08-0039-04

中國博士后科學基金資助項目（20080440996）