特大斷面隧道管幕段圍巖變形時空效應分析

孫玉偉

摘要： 隨著我國城市特殊地區特大斷面隧道管幕施工建設數量增多，急需針對特大斷面隧道管幕段在施工階段圍巖的時空變形規律來進行總結。以福州工業北路延伸線工程文林山隧道為例，結合其變形監控量測數據資料，分析了“三臺階七步法”開挖下特大斷面的隧道管幕段在施工期間圍巖時空變形的規律，確定了圍巖變形-時間特征曲線及圍巖變形-距掌子面的距離關系曲線類型;分析圍巖拱頂位移的釋放率與時間和距掌子面之間的距離關系，研究了空間位置對特大斷面隧道管幕段施工階段圍巖產生變形的時空效應影響規律。實驗結果顯示：圍巖變形-時間特征曲線類型為“廠”型。圍巖的變形與監測到距掌子面之間距離的關系曲線類型也為“廠”型，當一個監測斷面到掌子面距離超過1.6倍的洞徑時，圍巖的變形就會趨于穩定，空間效應趨于消失。最后，得到了隧道管幕段圍巖拱頂位移的釋放率和距掌子面之間的距離變化規律，研究所得結論在特大斷面隧道管幕段圍巖長期安全穩定性研究中十分具有借鑒價值。

關鍵詞：管幕施工;特大斷面隧道;時空效應;位移釋放率。

0.引言

在這些巖石地層中進行隧道開挖，隧道中圍巖產生的應力和變形并不是瞬間能釋放完成的，而是伴隨著時間的推移逐漸擴展增大并且趨于穩定平衡的，這被稱作隧道施工的時空效應。

國內外學者針對隧道建設施工中圍巖變形產生的時空效應有了很多研究。李志清通過現場測試分析了三臺階七步法施工條件下的淺埋大斷面黃土隧道的圍巖變形的時空效應。

當前研究對各開挖斷面下的隧道圍巖變形時空效應進行了諸多有益的研究，但對于特大斷面隧道管幕段的圍巖變形時空效應的研究甚少。管幕法作為一種新型的隧道超前支護施工方法，可有效控制地表沉降，在城市建筑密集、交通繁忙路段和淺埋大斷面的地下工程中得到廣泛應用。研究隧道管幕段的圍巖變形時空效應對于指導同類隧道工程設計和施工具有重要意義。

本文主要是通過現場實際監控測量數據分析特大斷面隧道管幕段在建設中采用的三臺階七步法施工方法中圍巖變形的時空效應，并且從圍巖位移釋放率的視角分析了空間位置對圍巖變形時空效應的影響，為特大斷面隧道管幕段的圍巖長期穩定性研究提供了參考。

1.工程概況

福州工業北路延伸線工程文林山隧道下穿文林山、后縣山，隧道段包括車行左、右線與慢行線，隧道出口屬于超淺埋段，結合該段的地質條件采用?299 mm × 10 mm管幕作為超前支護。

該隧道所在地區地形的起伏很大，最大埋深約112米，洞口段最小埋深1.2米。設計的凈跨度是19.38米，凈高度是12.93米，開挖斷面積約215.24m2，屬于特大斷面隧道。文林山隧道出口全貌如圖1所示。

2.現場實測內容及方法

該隧道開挖采用三臺階七步法進行施工，以弧形導坑開挖預留核心土為的方式， 分為上、中、下三個臺階七個面開挖，各面的開挖支護都是沿隧道縱向錯開、平行推進的。三臺階七步開挖法分以下三個步驟：上臺階的弧形導坑環向開挖預留核心土， 施作拱部初期支護;中、下臺階左右錯開開挖，施作墻部初期支護;中心預留核心土開挖、隧底開挖，施作隧底初期支護。每步開挖后必須及時支護，隧底初期支護后要及時施作仰拱，早封閉成環。三臺階七步法開挖的透視圖及現場施工實際施工情況圖如圖2和圖3所示。采用精密水準儀和鋼掛尺量測隧道拱頂沉降。基點埋設在受施工擾動的范圍以外的結構物上。

3.現場實測結果及分析

隧道洞內變形監測斷面數量較多，受篇幅限制，對監測斷面不一一列舉加以分析，在斷面的選擇上，選擇管幕段內3處較典型的監測斷面的拱頂沉降的時間和空間關系進行分析，選取斷面位置及地質情況見圖4。

3.1.圍巖變形時間效應分析

隧道圍巖拱頂下沉和拱頂下沉速率隨時間變化曲線如圖5、圖6所示。

由上圖分析可知：

（1）隧道拱頂隨著時間推移逐漸增大，呈現“快速增長-緩慢增長-基本穩定”的趨勢，拱頂下沉-時間曲線呈“廠”型，曲線在28天后趨于平穩，快速增長階段持續7～14天，即隨著開挖面的向前推進，隧道圍巖變形開始趨于穩定，在此階段之后，隧道圍巖變形基本趨于穩定，增長速率約為0.2～0.3mm/d，最終達到穩定，這一階段持續時間一般約14天，這是由于圍巖內應力在仰拱封閉后發生了變化。

（2）對比三個監測斷面監測數據可以發現，管幕段開挖過程中拱頂沉降量與下沉速率均呈現出與距洞口距離呈負相關的性質。

為了進一步的研究隧道施工階段圍巖時間效應，計算出不同的時間隧道圍巖徑向位移的釋放率（見表1），隧道拱頂位移釋放率—時間曲線，如圖7所示

由圖7可以看出，監測的三個斷面圍巖拱頂位移釋放率與時間的關系有所差異，說明空間位置對隧道施工階段圍巖變形的時間效應有很大影響。各斷面隧道圍巖徑向位移釋放率隨時間的變化規律如下：

ZH3+801：該斷面距洞口15米（小于一倍洞徑），開挖7天的位移釋放率在各斷面中最小，僅30%左右，在21天后達到90%。

ZH3+750：該斷面距洞口66米（約3倍洞徑），開挖七天位移釋放率接近40%，18天達90%。

ZH3+728：該斷面位移距離洞口88米，位于有管幕段支護地層與天然地層過渡地段，該斷面開挖七天位移釋放率已超過50%，22天達90%。

3.2.圍巖變形空間效應分析

圍巖拱頂下沉和拱頂下沉速率與距掌子面的距離D的關系曲線分別如圖8、圖9所示。

由圖8、9可以看出，管幕段內各個斷面范圍圍巖的變形與距掌子面的距離關系曲線呈“廠”型。隨掌子面開挖的推進，各個斷面的圍巖變形逐漸增大，其變形速率也呈現出跳躍式減少，最終趨于穩定。當監測斷面距掌子面的距離為1.2～1.5倍洞徑時，拱頂的沉降更加趨于穩定。

為了進一步深入研究隧道施工階段圍巖空間效應，計算在不同距掌子面距離的條件下圍巖徑向位移釋放，隧道拱頂位移釋放率與距掌子面的距離關系曲線如圖10所示

由圖10可以看出，三個斷面隧道圍巖拱頂位移釋放率與距掌子面距離的關系存在差異，這說明空間位置對隧道施工期圍巖變形的空間效應產生一定的影響。各斷面隧道圍巖徑向位移釋放率隨時間的變化規律如下：

ZH3+801：距掌子面距離0.53洞徑時達到60%。

ZH3+750：距掌子面距離0.47洞徑時達到60%。

ZH3+728：距掌子面距離0.58洞徑時達到60%。

各斷面拱頂位移釋放率均在距開挖面0.9倍洞徑時達到90%，拱頂變形趨于穩定，在距開挖面1.6倍洞徑時達到100%，空間效應消失。

4.結論

（1）通過分析對特大斷面隧道管幕段距洞口不同距離的三個斷面隧道施工階段拱頂變形時間效應，結果顯示各斷面拱頂下沉-時間曲線呈“廠”型，距離洞口越遠的斷面拱頂沉降量與下沉速率越小，管幕段監測的各斷面的空間位置對隧道施工階段圍巖變形的時間效應產生一定影響。

（2）分析了特大斷面管幕段隧道施工階段拱頂與距掌子面的距離之間的關系，管幕段內各斷面圍巖變形與距掌子面的距離關系曲線呈“廠”型，各斷面變形速率隨掌子面的開挖推進呈現出跳躍式減少，管幕段監測各斷面的空間位置對隧道施工階段圍巖變形的空間效應產生一定影響。

（3）通過分析隧道圍巖拱頂位移釋放率與時間和距掌子面距離之間的關系，得出了空間位置對特大斷面隧道管幕段施工期圍巖變形時間效應和空間效應的影響規律，研究結論對于確定最佳支護時機和施工工序具有重要的價值。

參考文獻

[1] 李志清，丁春林，李雙美，等. 淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時空效應分析[J]. 華東交通大學學報， 2014， 31（4）： 6-10.

[2] 江勇濤，王明年，張藝騰，等. 隧道管幕支護施工地表沉降預測方法研究[J]. 現代隧道技術， 2020， 57（4）： 82-90， 135.

[3]史培新，俞蔡城，潘建立，等. 拱北隧道大直徑曲線管幕頂管頂力研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2017， 36（9）： 2251-2259.

中鐵九局集團有限公司大連分公司 遼寧省大連市 116600