超大斷面淺埋隧道開挖施工監測分析

侯文雋，桂亞琮，陳綠佳

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

0 前言

目前，對超大斷面判斷的標準較多，主要以國際隧道協會判斷標準為主。國際隧道協會對大斷面的判斷標準：凈空斷面面積大于100m2即可定義為超大斷面隧道。而本文所分析的隧道開挖斷面達到344m2，完全超出了超大斷面隧道的面積。這就要求在隧道開挖過程中不能引起地表及圍巖產生過大變形，以保證隧道的完整性和穩定性。

蔣樹屏[1]等通過對超大斷面隧道的研究，得出隧道圍巖變形以拱頂下沉為主，兩邊墻有像內部移動的跡象；谷拴成等[2]根據對現場監測數據的分析，得出了隧道圍巖變形經歷急劇變形、持續增長、緩慢增長的三個階段；靳曉光等[3]利用TMS系統對圍巖不同深度的徑向位移跟蹤監測，并確定了適當的支護時間；羅興虎[4]通過信息化施工的監測手段，對陸域明挖段典型斷面分析，及時解決發現的險情，確保工程安全。王漢鵬等閉采用數值模擬和現場監測相結合的方法分析了圍巖穩定性情況；季毛偉等[5]對隧道施工開挖進行數值模擬，優化了施工方案及支護設計，分析了對隧道整體結構的影響；趙幫亞等[6]通過監測判定實施二次襯砌支護時機。

1 工程背景

廣東沿海某公路隧道工程，該項目沿線敏感建筑物較多，且隧道上部地表車流人流大，所以對變形控制要求嚴格。隧道長255m，采用上下疊層的卵形結構，開挖斷面達到344m2，設計埋深僅為6～7m，結構周長66m，開挖寬度18.8m，開挖高度21.0m，隧道分5個臺階14個區域進行開挖。

隧道位于海邊，隧址區上部覆蓋層發育，且巖性在縱向上具有海相、海陸交互相、陸相多層結構，巖性條件較為復雜。根據地質勘察報告顯示，隧道所穿越的主要底層如表1所示。

地質情況統計表 表1

2 監測項目及監測方法

隧道上部地表周邊環境如圖1所示。為保證隧道開挖作業的安全以及保護周邊地表環境，在隧道沿線區域進行了地表沉降、臨近建筑物位移，深層土體側向位移的監測，對隧道內部進行了拱頂下沉和凈空相對位移（收斂）監測。

圖1 暗挖隧道總平面圖

①地表沉降：地表沉降觀測的目的是測量隧道開挖的過程中地表相對原地表的高程變化，在隧道開挖影響區域以外布置了3個沉降監測的基準點，在隧道開挖沿線上共設置了24個橫向監測斷面，平均每個斷面設置15個地表沉降監測點。②拱頂下沉：隧道內部每10m設置一個監測斷面，在拱頂位置布置拱頂下沉監測點。③凈空相對位移（收斂）：在每個布置了拱頂下沉監測的斷面同時也設置了凈空相對位移監測點，使用收斂計進行量測。每個監測斷面設置3條收斂測線。

3 監測數據分析

由于施工現場環境復雜，各個監測項目的監測點經常會遭到破壞或遮擋等情況，考慮到監測數據的完整性、連續性和準確性，地表沉降和土體深層側向位移選取了K2+410斷面的監測數據，拱頂下沉選取了K2+390、K2+400和K2+410計3個斷面的監測數據。

3.1 地表沉降監測分析

K2+410斷面地表沉降變形曲線如圖2所示，正值表示下沉，負值表示隆起。

圖2 K2+410斷面地表沉降曲線

從地表累計沉降曲線可看出：①在中軸線兩側約10m以內的區域內，地表變形在一至三臺階開挖支護過程中，基本呈逐漸下沉狀態，之后呈逐漸上升狀態，在該區域內，地表變形曲線沿中軸線左右兩側呈不對稱分布狀態，中間凸起，兩邊下沉，且存在在沉降差，左側沉降量較大，右側沉降量較小，具體見表2；②在中軸線兩側約10m以外的區域，在一、二臺階開挖支護過程中，處于下沉變形階段，在之后的施工過程中，呈逐漸隆起狀態。

地表監測點變形最大值統計表 表2

一般情況下，隧道開挖引起的地表下沉變形會隨著隧道的開挖而逐漸增大，但是在本隧道開挖過程中，從地表沉降變化曲線可以看出，地表豎向變形隨著隧道開挖進度，出現先下沉后上升的情況。從監測數據來看，隧道開挖引起的地表下沉變形量并不大，下沉最大值為11.87mm，說明隧道的支護結構對地表下沉變形的控制效果好，而且由于支護結構的作用，隧道開挖過程中，地表變形也較為穩定。

3.2 拱頂下沉監測分析

圖3 K2+390斷面拱頂下沉變化曲線

圖4 K2+400斷面拱頂下沉變化曲線

圖5 K2+410斷面拱頂下沉變化曲線

K2+390、K2+400和K2+410這3個斷面的拱頂下沉變化曲線如圖3至圖5所示，其中正值表示下沉變形。從這3個斷面的拱頂下沉累計值變化曲線可看出一個明顯的規律，即隧道開挖之后，拱頂是先下沉，之后到再向上抬升，這與隧道的開挖方法和支護形式是密切關聯的。

隧道一臺階開挖之后，支護結構尚未施做完畢之前，圍巖產生向隧道內部的位移，此時，拱頂變形形式表現為下沉，且下沉速率較大。隨著一臺階的支護結構施做，支護結構對隧道的變形形成有效的約束，阻止了拱頂的進一步下沉變形；隨著下部臺階的開挖和支護的施做完畢，形成的支護體系更加穩定、剛度更大，對拱頂下沉的變形約束能力也就更強。此外，隧道內每一個臺階開挖之后，下部土體出現應力不平衡狀態，對隧道的支護結構產生豎直向上的作用力，且隨著隧道的開挖，下部土體對支護結構的作用力越大，所以，在一臺階開挖后，隧道拱頂出現向上的位移。

3.3 隧道凈空相對位移（收斂）監測分析

本文選取了K2+410斷面的收斂監測數據進行分析討論。該斷面的3條測線的收斂累計變化曲線如圖6所示，其中負值表示隧道內部凈空相對收縮變形。

圖6 收斂累計變化曲線

①測線1監測數據分析。一臺階開挖至斷面K2+410后，開始在該斷面布設測線1洞內收斂監測點并進行監測。從監測結果上看，監測初期由于監測點距離一臺階開挖面較近，收斂值一開始出現細微的波動，然后出現一段快速的增長階段。當二臺階開挖面通過K2+410斷面時，測線1收斂值出現波動，而且波動幅度比監測初期大，從9月8號開始一直到9月30號，在這段時間內測線1收斂值處于波動狀態；在二臺階開挖面距離K2+410斷面較遠之后至三臺階開挖至K2+410斷面之前的這段時間內，測線1收斂值回歸平緩變化狀態。在三臺階開挖面經過K2+410斷面時的變化規律與二臺階開挖面經過K2+410斷面時相類似，當三臺階開挖面經過K2+410斷面的過程中，一臺階收斂值出現較大波動，且在波動中增大，當三臺階開挖面遠離K2+410斷面后，一臺階收斂值再次回到較穩定的狀態。在四臺階開挖面經過K2+410斷面時的變化規律與三臺階開挖面經過K2+410斷面時相類似，當四臺階開挖面經過K2+410斷面的過程中，測線1收斂值再次出現較大波動，而且增長較大，當四臺階開挖面遠離K2+410斷面后，測線1收斂值再次回到較穩定的狀態。之后在五臺階開挖過程中，測線1收斂值已經趨于穩定狀態，顯然，五臺階開挖過程對一臺階收斂變化影響很小。

②測線2監測數據分析。從測線2收斂監測時程曲線上看，顯然與測線1的收斂監測結果有類似的規律。當二臺階開挖面剛通過監測點所在斷面時，監測值出現波動，但總的來說是隨時間增長的。在三臺階開挖斷面經過K2+410斷面的過程中，收斂值變化較大，而且有突然增大的現象；隨后在三臺階通過K2+410斷面之后到四臺階到達K2+410斷面之前的這段時間內，二臺階收斂值處于緩慢增長狀態，變化速率較為穩定。四臺階開挖面通過K2+410斷面的過程中，二臺階收斂值再次出現波動，同時增長較大，直到四臺階開挖面通過K2+410斷面之后，二臺階收斂值逐漸趨于穩定狀態。

③測線3監測數據分析。測線3的監測結果與測線1及測線2有著相同的規律，即三臺階開挖面與測點距離較近時，收斂值快速增大，隨后進入較為穩定狀態；在四臺階開挖面通過K2+410斷面的過程中，三臺階收斂值出現波動，并快速增大，當四臺階開挖面通過K2+410斷面之后，收斂值處于穩步增大的狀態；當五臺階開挖過程中，收斂值出現較大增長，隨后進入穩定狀態。通過收斂監測數據可以看出，隧道開挖之后，由于土體應力釋放，圍巖對隧道產生徑向壓力，隧道周圍土體出現向隧道內部的位移。在隧道開挖至五臺階之前，隧道內部的收斂變形處于變化較大階段；而且，當下部臺階開挖面通過監測斷面的時候，上部的測線收斂值都出現了波動，說明下部臺階開挖對上部臺階的收斂變形會產生一定的影響，而且這個影響并不是單方向的，而是一種反復波動的變化，但是總體上來，隧道還是處于逐漸收縮變形的狀態。上部四個臺階都開挖且支護完成之后，隧道襯砌和臨時支撐形成一個較為穩定的支撐結構，對隧道周邊圍巖的變形形成一個較為完整的約束體系，所以，五臺階的開挖對一二臺階的收斂變化影響小，對三臺階的收斂變形影響也較為穩定，并沒導致測線3的收斂值出現明顯的波動。

4 結語

通過對隧道開挖過程中的監測工作情況，并選取典型斷面和典型測點的監測數據進行整理分析，得到隧道開挖過程中，地表沉降、拱頂下沉、凈空相對位移、的變化規律。結論如下。

①隧道開挖導致地表出現了明顯的下沉和隆起不均勻變形，但豎向位移并不大。在靠近隧道上部的地表出現了下沉，而且豎向位移曲線呈中間凸起兩邊不均勻下沉狀態，在隧道邊線以外區域的地表呈隆起狀態。在整個開挖過程中，地表豎向位移呈先下沉后抬升的趨勢。

②隧道開挖過程中，拱頂下沉存在明顯的先下沉再抬升的變化趨勢，通過三個斷面拱頂下沉監測結果對比可以知道，拱頂下沉與抬升變化轉折點取決于一臺階開挖支護的速度，速度越快，抬升越早。

③隧道凈空相對位移監測結果反映了隧道開挖后呈不均勻收斂變形狀態，下部臺階的開挖對上部的支護結構的收斂變形存在影響，四臺階支護結構施做后，隧道的收斂變形逐漸趨于穩定狀態。