隧道開挖工序對圍巖支護的變形影響與空間效應

王 亮

（重慶交通大學土木工程學院 重慶 40074）

隧道開挖工序對圍巖支護的變形影響與空間效應

王 亮

（重慶交通大學土木工程學院 重慶 40074）

利用隧道現場監控量測技術，通過對現場數據分析直觀的反應圍巖變形穩定情況并對下一步施工工序作出指導性建議；而今天隧道結構的形式多元化，隧道施工技術日益成熟，不同的施工工序對隧道圍巖結構的改變也不盡相同，由于施工過程中掌子面不斷推進，圍巖巖層的結構系統也隨之經歷破壞重組再破壞再重組的循環當中，此過程中重組的結構系統不能形成最終的穩定狀態。

監控量測；空間效應；圍巖位移；開挖工序

1 工程概況

隧道單洞凈寬13.75m，凈高7.85m，連拱開挖總跨度達34.36m，屬六車道雙聯拱大跨度隧道，左右洞之間通過 2.9m厚的中隔墻相連，隧道凈寬 32.10m（14.60+2.90+14.60），隧道長280m，其中明洞長20m，暗洞長260m，隧道洞身圍巖主要以粉砂質泥巖、砂巖互層為主，洞身圍巖均為V級，隧道最大埋深35m。隧道采用圖2-2所示步驟開挖支護，即采用左右側壁上下臺階法。

本文以四川某公路隧道為例運用現場監控量測數據對隧道施工過程中圍巖支護變形特性、開挖施工工序、開挖過程中產生的空間效應等因素進行理論分析，得出相關結論并運用經驗反饋法的三個準則[1]～[3]以對后期施工及類似工程施工提供一定參考依據，并對圍巖支護變形進行預測以及得出圍巖支護變形規律。

2 監控量測

本隧道施工采用新奧法施工，本文對斷面頂部沉降與周邊收斂進行分析。測點布設情況[4]～[6]：現場監控量測在5～10m間距布設一個斷面測點測線，每個斷面布設3個沉降測點（分別為拱頂、左、右拱腰測點），上、下臺階兩個水平收斂測線。見圖2-1所示

圖2-1 測點測線布設及施工工序

2.1 空間效應

隧道在施工過程中由于掌子面不斷施工推進，而掌子面附近圍巖不能立即釋放全部彈性位移，形成了由開挖面推進產生的圍巖變化的特性，即空間效應[7]，其中周邊圍巖受到兩種不同的約束方式，即“半圓弧”約束和“環形約束”，開挖時掌子面附近存在“虛擬支撐力作用”；而隧道施工的空間效應主要表現在由“位移釋放系數”得出的“位移釋放規律”[8]上。

在現在的公路隧道工程中為了滿足車流量大的問題，隧道斷面也進入了雙車道或三車道及以上。對于這類隧道的施工，大多數情況都是采用非全斷面開挖，但非全斷面開挖就分多種方法，本文依據如圖所示開挖步驟，以具有代表性的左洞斷面 K1+100上測點測線為例對每個開挖步驟對周邊圍巖支護的位移變化影響分析研究并作出總結。

3 量測數據分析

根據現場監控量測數據過程中得到的數據，以K1+100斷面為例對該斷面圍巖支護變形特性進行分析。由于施工現場條件限制，在施工開挖到K1+101時進行對K1+100斷面的布設以及初次量測。（以下所述掌子面均為工序一處開挖施工的掌子面）

圖3-1 各測點測點隨掌子面掘進沉降圖

由左拱腰測點數據可以看出在掌子面推進距該斷面0～6m的過程中左拱腰測點處于快速下降狀態，沉降量急劇增長，此為工序一開挖向前推進過程，在而在隨后急劇下沉的狀態緩慢降低，說明該斷面左側壁開挖部分已經進入緩慢增長階段，最大下沉量為5.6mm；在工序二即掌子面在11～20m左右范圍內時，施工開挖過程中由于右側壁巖體被挖掉導致已趨于緩慢變化的左側壁再次發生比較大的下沉狀態，但這種變化并沒有之前的急劇下沉明顯，最大下沉量為 8.7mm。而在距掌子面在20m以上的工序三、四對施工開挖則對左側壁的影響效果甚微，下沉量并沒有發生大的變化并處于平緩增長直至不再增長，最終下沉量為9.6mm。

拱頂測點在工序二施工開挖及掌子面向前推進過程中，在10～23m階段拱頂測點下沉量迅速猛增，最大下沉量為6.1mm；而在23～31m階段增長速度進入緩慢階段，下沉速率明顯平緩，此時工序三已開始施工開挖，表明工序三對拱頂測點的影響不大，即下沉量沒有急劇增加，最大下沉量為6.6mm；進入31～42m階段工序四的開挖也并沒有對拱頂測點造成多大影響，拱頂測點下沉量增長不明顯并緩慢趨于穩定，最終下沉量為7.1mm。

右拱腰測點在10～21m階段右拱腰測點下沉量初期增長迅速，并開始出現區分快速增長與趨向增長緩慢的“節點”，其最大下沉量為6.2mm，在21～42m階段增長不明顯，下沉量已開始走向穩定狀態，最終下沉量為 6.7mm；表明工序三、四的施工開挖對其影響沒有了較為明顯的效果。

圖3-2 上收斂測線隨掌子面掘進收斂圖

由上收斂測線量測數據中看出，掌子面在11～22m時上收斂測線變化值處于迅速增長狀態，再隨后掌子面不斷推進收斂變化值已進入平緩增長或不增長狀態，表明在工序三、四施工開挖中對上收斂測線的影響效果甚微。

從下收斂測線數據明顯看出，看出在總體收斂變化值較小，在30～42m范圍內變化值快速增長，但在隨后也明顯趨于穩定狀態，最終變化值為1.24mm。

4 結論

（1）根據上述圖形及分析不難看出距離隧道開挖面較近的斷面產生的圍巖變形比較大，在隨后開挖面逐漸推進對其的影響開始減弱甚至消失。

（2）在開挖過后的斷面在無擾動情況下逐步進入緩慢變形最終穩定。

（3）步入穩定的斷面在周邊圍巖（工序二處斷面）被開挖后左側壁受到一定程度的影響，但在隨后的開挖過程中最終又進入穩定狀態。

（4）由于左側壁先后受到工序二、三、四周邊圍巖的擾動產生了不同程度的影響，其中工序二產生的影響最大，這與左側壁剛剛趨于穩定又再次受到周邊圍巖的擾動有關；而在工序三、四的施工中對其影響較小與開挖的上下臺階法有關，且上收斂測線受到下臺階（即工序三、四）開挖的影響過小也證實了這點。

（5）工序三、四開挖后下收斂測線并沒有產生像上收斂測線一樣大的收斂變形，是由于仰拱及時施作并封閉成環有關。

（6）左拱腰測點的最終沉降量大于拱頂、右拱腰測點，是受到圍巖多次擾動的影響，這與施工中倡導的“少擾動”相符。

[1]鐵路隧道施工規范(TB10204一2002).中國鐵道出版社.2002

[2]關寶樹.隧道工程設計要點集.人民交通出版社.2003

[3]]Eisenstein.Urban Tunneling Challenges&Progresses.2000

[4]熊創賢，洪亮．淺埋偏壓隧道幾種施工方法的比較與研究［J］．路基工程，2007(3):18－20．

[5]陳建勛，楊忠，袁雪戡．秦嶺終南山特長公路隧道大埋深段施工監測及分析［J］．建筑科學與工程學報，2006，23(3):71－75．

[6]李曉紅．隧道新奧法及其量測技術［M］．北京:科學出版社，2002．

[7]溫玉忠．軟巖支護系統研究［J］．煤炭技術，2007，26(4):79-91．

[8]孫鈞，朱合華.軟弱圍巖隧洞施工性態的力學模擬與分析.巖土力學，1994，15（4）20～33

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1007-6344（2016）07-0048-02