既有隧道改擴建工程的動態(tài)監(jiān)測技術

張少波

(中建路橋集團有限公司，石家莊 050000)

1 引言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的既有隧道不能滿足日益增長的交通需求，新建及改擴建隧道工程也越來越多。 新建隧道的施工過程，會導致隧道周邊圍巖產生多次擾動[1]，降低圍巖的結構承載能力，對施工安全產生不良影響。 目前我國公路隧道大斷面改擴建的施工經驗相對不足，需在實踐中不斷提高并完善施工技術。

本文根據福建廈蓉高速公路改擴建工程， 通過現場監(jiān)控測量及數據分析的形式， 研究擴建隧道的施工對隧道的影響。

2 項目概況

2.1 隧道狀況

后祠隧道屬于雙洞分離式隧道， 兩車道的長度均為990m，且縱坡均為-2.275%。 因現有的車道不能滿足日益增長的交通需求，所以要對原隧道進行擴建。 2014 年至2016 年在原隧道的左側新建一座三車道隧道， 隧道長1542m (ZK130+473～ZK132+015)， 凈空(寬×高)14.00m×5.00m；2017～2018 年又將原右洞兩車道隧道擴建為四車道隧道形成大斷面隧道， 擴建后隧道長967m (YK130+542～YK131+509)，凈空(寬×高)9.25m×5.00m。

后祠隧道擴建完成后形成新的三洞小間距隧道。 具體洞室位置關系如圖1：

2.2 施工情況

圖1 后祠隧道洞室位置關系(單位：m)

原右洞二車道隧道因受前期新建隧道的多次擾動，導致圍巖應力場受到影響，圍巖承載能力下降，考慮到將二車道擴建成四車道的施工過程中會對圍巖的應力場進行再次擾動，所以這次施工采用新奧法施工。二擴四車道隧道洞口圍巖抗壓能力較差，屬于V 級圍巖，采用CRD法施工[2]。 首先對原洞二次襯砌進行切縫，切縫厚度要大于二襯厚度，然后對需要爆破的地方進行鉆孔，間距不能超過80cm，深度要大于原二襯厚度。 爆破采用普通鉆爆發(fā)進行，為了降低爆破對相鄰既有隧道產生的不良影響，爆破前需在現場進行試驗， 獲取爆破參數后， 再進行作業(yè)，保證現場施工安全。

3 監(jiān)控方案

為了保證施工的正常進行， 需要對現場進行監(jiān)控測量， 及時了解圍巖狀態(tài)， 并對其狀態(tài)的變化進行研究分析，預見險情及事故，以防患于未然。 本次監(jiān)控測量依據相關測量技術規(guī)范以及相關單位對監(jiān)測的要求進行測量的。 監(jiān)測項目有：地表邊坡沉降、周邊位移、拱頂下沉、地質超前預報等[3]。 本文主要介紹地表邊坡沉降、周邊位移以及拱頂下沉的監(jiān)測情況。

4 實例分析

4.1 地表邊坡沉降

隧道洞口處布設的沉降監(jiān)測點離洞口10m，間距2～5m(圖2)。 施工開挖到監(jiān)測斷面3m 前，各監(jiān)測點的變化量較小；當施工推進到監(jiān)測斷面后，監(jiān)測斷面的各個測定開始大幅沉降，50 天后下沉速度降低，慢慢趨于穩(wěn)定。 由圖3 可知，監(jiān)測點經歷三次加速沉降，隧道軸線位置下沉量最大，沿軸線向兩邊慢慢減小，影響范圍基本上是與洞底兩邊成45°夾角，對相鄰既有隧道影響不大。 隧道施工的順序是先開挖左導洞，然后再開挖右導洞，所以導致隧道軸線左側的沉降量高于右側的沉降量， 圍巖的受力情況與洞頂的沉降量基本一致。

圖2 隧道出口地表邊坡沉降點布置圖

圖3 隧道出口地表沉降時程曲線圖

由圖3 可知，在施工過程中隧道洞口經歷三次沉降：

(1)左導洞施工過程中，上臺階開挖到監(jiān)測斷面前5m的時候，沉降監(jiān)測點開始大幅下降，當掌子面通過監(jiān)測斷面時，下降速度明顯增加，這段時間的沉降量大約相當于總沉降量的40%。

(2)右導洞施工過程中，上臺階開挖到監(jiān)測斷面前5m的時候，沉降監(jiān)測點開始大幅下降，當掌子面推進并通過監(jiān)測斷面時，下降速度明顯增加，這段時間的沉降量大約相當于總沉降量的40%。

(3)當下臺階開挖到監(jiān)測斷面時，沉降點第三次加速下降，直至通過監(jiān)測斷面后3 天沉降速度減小，慢慢趨于穩(wěn)定。 這段時間沉降點下沉量約為總沉降量的20%。

4.2 周邊位移

本次選取距離掌子面2m 的典型斷面進行分析。 從圖4 可以看出，三條測線收斂趨勢基本一致，當施工開挖至斷面35m 處，測線整體才趨于平穩(wěn)，整個過程歷時35天，收斂最大值為9.21mm，收斂速率為0.26mm/d，在規(guī)定范圍之內。

圖4 典型斷面收斂位移曲線圖

由圖4 可知，橫向水平的收斂值最大，左導洞收斂位移大于右導洞[4]。 由于施工先開挖左導洞，導致左導洞產生收斂位移，后期開挖右導洞時同樣對左導洞產生影響。當施工開挖逐漸遠離收斂斷面時， 收斂曲線的波動也越來越小， 直至超過1.5 倍洞徑時收斂波動才趨于穩(wěn)定[5]。該收斂波動表明圍巖應力場主要受隧道原位擴建過程中分步開挖的影響。

4.3 拱頂下沉

拱頂下沉測量是指對隧道拱頂的實際位移進行測量，是相對于不動點的絕對位移，其必須與設計標高進行比較。 選取距離掌子面6m 處的典型監(jiān)測斷面進行研究分析，該斷面圍巖抗壓能力差，屬于V 級圍巖。 由于先進行左導洞開挖，后進行右導洞開挖，所以左導洞監(jiān)測點的沉降位移最大， 右導洞與拱頂中央的監(jiān)測點最終沉降基本一致。當施工開挖逐漸遠離收拱頂監(jiān)測面時，監(jiān)測點的沉降速度也越來越小， 直至掌子面開挖距監(jiān)測斷面40m處，監(jiān)測斷面的沉降才趨于穩(wěn)定[6]。 沉降最大的監(jiān)測點在11 天內共下沉了5.3mm，沉降速率為0.48mm/d，符合規(guī)范要求，下沉趨勢見圖5。

圖5 典型斷面拱頂下沉位移曲線圖

5 結語

(1)本文根據龍巖廈蓉高速公路擴建工程后祠隧道大量監(jiān)控實測數據的分析，找到影響施工安全的主要因素，及時反饋到工地并采取有效的防御措施， 保證現場施工安全、順利。

(2)后祠隧道出口段，受地形偏壓及構造破碎帶F118A的影響， 后祠隧道洞身段受節(jié)理密集帶及構造破碎帶F118、F118B 的影響，局部范圍內巖體破碎-極破碎。后祠隧道原位擴建的大斷面隧道的受力模式比較特殊， 一方面，圍巖應力場受既有隧道建設的影響已發(fā)生多次擾動，另一方面， 新建及原位擴建過程中分步開挖將對圍巖應力場進行再次擾動，從而導致圍巖體的累計損傷提高，強度、完整性和自穩(wěn)能力降低，使既有隧道出現結構承載力下降、輪廓變形過大等安全風險。