復雜空間關系大斷面多隧道建設沉降控制研究

黃偉明

（溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著城市人口急劇增加，汽車擁有量的急速增長，許多城市建設用地已達到寸土寸金的情況，城市小凈距隧道、超小凈距隧道、平面、立體交叉隧道、城市地下立交也隨之出現[1-2]。復雜空間關系的多隧道建設勢在必行，斷面也在不斷加大，各隧道可能屬于相同行業，也可能屬于不同行業，且各行業要求不同，相關的技術規范與法規尚不健全，在技術與制度上均無完整的體系可循。基于此，本文密切結合溫州市寧波路二期工程—太平山隧道工程，通過對復雜空間關系大斷面多隧道建設沉降的現場監測，并對實測數據進行擬合分析，以期在確保工程安全與質量的前提下實現縮短施工工期的目標。此外，研究成果能為規劃部門和后續類似工程提供非常重要的參考依據。

1 工程概況

1.1 隧道概況

太平山隧道工程地處溫州市鹿城區和甌海區，是穿越太平山山體連接溫瞿公路和雙嶼的城市主干道，隧道設計為采用雙向六車道+人非混合道，隧道左右洞均長510 m，里程范圍東線K0+470～K0+980，設計標高為：8.348～8.204 m；縱坡都采用0.48%、-0.48%。隧道建筑限界寬15.75 m（單洞）、機動車隧道高5.0 m，人非混合道高3.5 m，車行橫洞建筑限界寬4.5 m，高5.0 m。隧道因受施工條件限制，暫定單向掘進，共左、右洞兩個工作面，采用鉆爆法施工。

1.2 施工存在的風險

本隧道南北洞口居民密集，隧道穿越地表建筑物較多，甬臺溫高鐵與本隧道基本平行，金麗溫高鐵與在本隧道頂部橫穿，東面金麗溫高速公路與本隧道南洞口間隔100m左右，見圖1。本工程爆破施工難度大，施工干擾較多。

圖1 太平山隧道現場

2 監控量測

2.1 監控量測目的

（1）通過監控量測了解各施工階段地層與支護結構的動態變化，把握施工過程中結構所處的安全狀態，判斷圍巖穩定性，支護、襯砌可靠性。

（2）用現場實測的結果彌補理論分析過程中存在的不足，并把監測結果反饋設計、指導施工，為修改施工方法、調整圍巖級別、變更支護設計參數提供依據。

（3）通過施工現場的監控量測，確定二次襯砌合理施作時間。

（4）通過監控量測了解該工程條件下所表現、反映出來的一些地下工程規律和特點，為今后類似工程或該工法本身的發展提供借鑒、依據和指導作用。

2.2 監控量測手段

根據Peck公式可知，最大沉降通常發生在隧道中軸線處[2]。由于金麗溫高鐵與在本隧道頂部橫穿，因此，本隧道沉降監測點設立于隧道拱頂，見圖2。通過對上下隧道交叉位置沉降的監測，可以通過下沉監測點測得的數值近似判斷下部隧道開挖對上部金麗溫高鐵隧道的沉降影響。

圖2 監測點布置示意圖

上下隧道交叉位置沉降采用全站儀監測，見圖3。拱頂沉降測量精度可達0.5～1 mm，凈空變化在位移量比較小的情況下，一般為0.1 mm，在變位比較大的情況下為1 mm。

圖3 監測儀器（全站儀）

現場測點讀數讀三次，取其平均值。并詳細記錄。

3 結果與討論

3.1 拱頂沉降分析

圖4給出了本次監測隧道拱頂左右監測點的下沉速率。隧道在鉆爆法進行施工過程中，開挖面會釋放應力附加應力，從而導致地面出現彈塑變形等問題，也就是引發拱頂沉降問題。開挖沉降速度極快，開挖當天左側拱頂測點的最大下沉速度為5.2 mm/d，右側的相應下沉速度為4.0 mm/d。隨著時間的推移，開挖面土體應力得到釋放并重新分布固結穩定，拱頂下沉速度在這一過程中快速減緩，距離開挖10 d左右，拱頂的下沉速度幾乎為零，即：拱頂近乎停止下沉。然而，根據固結沉降理論可知[3]，拱頂并非完全停止沉降，而是進入了次固結沉降階段。次固結沉降是一個長期控制的過程，特別是在隧道運營期間，需要考慮沉降的動態變化。

圖4 拱頂下沉速度

根據量測數據，沉降值（U）隨時間（t）發展的時態函數可通過用對數函數、指數函數、雙曲函數等進行擬合分析。基于此，圖5給出了相應的擬合結果。

由圖5的擬合結果可知，基于實測沉降值，雙曲函數的擬合值偏差最大；對數函數和指數函數的擬合結果較為靠近實測值，兩種函數的擬合優度分別為88%和93%。因此，本文選取指數函數作為拱頂沉降的最優擬合函數，拱頂左右兩側的沉降擬合函數分別為：

基于擬合函數可以推算出拱頂沉降的最終收斂值Umax約為13.7 mm。距離開挖第8天以后，圍巖下沉達11.81 mm，下沉率達86.2%，下沉速度為0.06 mm/d，滿足《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設[2006]158號）提出的要求，即：下沉率達大于80%且下沉速度小于0.1 mm/d。故可推測本隧道與金麗溫高鐵交叉段圍巖在鉆爆法施工8 d以后基本穩定。此外，《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設[2006]158號）指出預測的隧道基礎工后沉降值不應大于15 mm，而本文基于擬合函數得到拱頂沉降的最終收斂值約為13.7 mm，同樣滿足該要求。

金麗溫高鐵隧道與本隧道頂部橫穿，兩隧道交叉面處的垂直距離約為50 m，而本隧道在該處拱頂沉降的最終收斂值為13.7 mm。因此，可以進一步推定金麗溫高鐵隧道相應位置的沉降遠小于13.7 mm，故而可以認定下部隧道施工對上部既有隧道的沉降影響微乎其微。

圖5 沉降擬合

3.2 沉降控制措施

為減少下部隧道開挖及襯砌施工過程中產生的沉降，保護上部既有隧道的安全，在施工過程中還可以采取以下措施：

（1）在上部導洞開挖之前，對開挖面前部土體進行小導管超前預注漿，使土層密實膠結，改良地層，嚴格執行先固后挖的原則[4]。

（2）對拱頂土體進行深孔注漿，增加土體的強度，并加速拆除臨時支撐后的作業時間，盡早使襯砌封閉成環，以拱頂和地表下沉[5]。

（3）加強施工過程中的現場監測，堅持信息化施工，及時反饋施工效果，調整技術措施，控制地層的變形發展[3]。

4 結語

通過對太平山隧道現場監測結果對施工中拱頂沉降規律進行了研究，并得出以下結論:

（1）太平山隧道拱頂下沉速度隨著施工時間的持續快速減緩，施工當天左側拱頂測點的最大下沉速度為5.2 mm/d，右側的相應下沉速度為4.0 mm/d，距離開挖10 d左右，拱頂的下沉速度幾乎為零。

（2）太平山隧道拱頂沉降規律最適合用指數函數表示，擬合結果顯示拱頂沉降的最終收斂值約為13.7 mm。太平山隧道的施工對上部既有金麗溫高鐵隧道幾乎不產生沉降影響。

（3）可以通過在對隧道拱頂土體進行深孔注漿增加上部土體強度以及縮短拆除臨時支撐后的作業時間等措施，控制地表的沉降變形。