大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析-张国华

第31卷第2期岩土力学Vol.31No.22010年2月RockandSoilMechanicsFeb.2010收稿日期：2009-03-02第一作者简介：张国华，男，1980年生，博士研究生，主要从事岩土工程监测及检测方面的科研工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2010)02－0489－08大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析张国华1，陈礼彪2，钱师雄3，蔡光远3，吴超凡4，李祺1,5（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071；2.福建省高速公路建设总指挥部，福州350001；3.厦门路桥建设集团有限公司，厦门360026；4.福建省交通规划设计院，福州350004；5.武汉中科智创岩土技术有限公司，武汉430071）摘要：结合大帽山隧道的工程实践，通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作，研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性。阐明分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点及位移场，相邻导洞施工时的相互影响，围岩与支护结构间的相互调整变形机制，拱顶沉降捕捉的变形小于围岩实际变形的原因，支护结构的压力和锚杆应力状态及其与围岩位移的变化关系。监测结果表明，大断面小净距隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的，围岩变形可控，支护结构的支护效果显著，围岩基本稳定。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。关键词：大断面小净距隧道；双侧壁导坑；围岩变形；结构应力中图分类号：O319.56文献标识码：AOn-sitesupervisionmeasureandanalysisofDamaoshantunnelswithlargesectionandsmallclear-distanceZHANGGuo-hua1,CHENLi-biao2,QIANShi-xiong3,CAIGuang-yuan3,WUChao-fan4,LIQi1,5(1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China;2.FujianProvincialExpresswayConstructionHeadquarters,Fuzhou350001,China;3.XiamenRoad&BridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Xiamen360026,China;4.FujianCommunicationsPlanningandDesignInstitute,Fuzhou350004,China;5.WuhanRSMIntelligenceGeotechniqueCo.,Ltd,Wuhan430071,China)Abstract:Theresearchonthestabilityofsurroundingrockiscarriedoutduringtheconstruction,aspertwin-sideheadingmethod,oflargesectionandsmallclear-distancetunnelsundercomplexgeologicalcondition;throughtheon-sitesupervisionmeasureofinternaldisplacementsofsurroundingrock,vaultsettlement,pressureofsurroundingrockandstressofboltincombinationwiththeengineeringpracticeofDamaoshantunnels.Whenthepilottunnelsstartexcavating,thevariationtrend,characteristicsanddisplacementfieldofdisplacementinsidesurroundingrockshouldbeclarified,aswellasthemutualinfluenceofneighboringpilottunnelsinconstruction,mutualadjustingmechanismbetweensurroundingrockandretainingstructureandthereasonofsmallerdistortionmeasuredbyvaultsettlementthantheactualdistortionofsurroundingrock,thestressstateofretainingstructure,stressofbolt,variationrelationofsurroundingrockdisplacement.ThesupervisionresultsindicatethefeasibilityofexistingconstructiontechnologyandretainingparameteradoptedforfaultzoneofV-gradesurroundingrocksectionoflargesectionandsmallcleardistancetunnelsbecauseofcontrollablesurroundingrockdistortion,strongretainingstructure,safestorageandstablesurroundingrock.Themethod,analysisandconclusionofresearchwillbevaluableexperienceandforreferenceindesign,construction,supervisionandfurthertheoreticalresearchontunnelengineeringundersimilarcondition.Keywords:largesectionandsmallclear-distancetunnels;twoside-surroundingpilottunnelmethod;deformationofsurroundingrock;stressofstructure1引言近年来，随着国民经济的发展，越来越多的高速公路因交通量趋于饱和而被扩建，如沈阳－大连高速公路、北京－上海高速（江苏段）、泉州－厦门高速公路等。因此，高速公路隧道的改建、扩建工程正如火如荼地进行，且多呈现出邻近既有高速公路隧道、大断面、小净距、隧道群和边施工边通车的特点。邻近既有隧道新建的大断面隧道，一方面，新建隧道的施工会改变既有隧道的受力状态，从而对其产生种种不利影响，如结构承载力下降[1－2]，甚至破坏[3]，变形过大侵入限界等[4]。另一方面，岩土力学2010年新建大断面隧道的受力模式也不同于半无限体或无限体中修建隧道的一般情况，围岩应力场受既有隧道的影响已发生多次扰动，新建大断面隧道的分步开挖将再次进行扰动，围岩多次扰动叠加，使其强度变低[5－6]、完整性和自稳能力变差[3,7－8]。扰动围岩中新建隧道的施工遭遇极大的困难，往往表现在围岩损伤破坏严重，稳定性变差，围岩变形和支护结构受力过大。然而，由于新建隧道规模大小、新旧之间的位置关系、地质条件、既有隧道安全程度和新建隧道施工方法等不同，导致其影响程度也不同，其间各种受力机制及相互作用极其复杂[9－10]。目前，详细研究围岩复杂的应力状态和相应的响应尚有困难，而行之有效的办法是在此类工程的实施过程中，实施现场监控量测[11－12]。根据监测的结果，掌握围岩的变形特征及其发展趋势，围岩和支护结构的应力-应变状态等信息，进而可以修正设计、优化施工方案，从而确保邻近既有隧道的安全和新建隧道围岩的稳定性。本文结合大帽山小净距隧道的现场监控量测工作，对在既有隧道间新建的大断面隧道在施工过程中围岩变形演化特点、支护结构的受力特点等进行分析研究。其结果可为隧道后续设计和施工方案优化调整提供依据，也可为今后类似工程的实施和深入的理论研究提供参考和借鉴。2大帽山隧道群概况大帽山小净距隧道群位于泉州－厦门高速公路的厦门段，距厦门市区约8km。其详细工程概况、施工工艺及开挖方式请参见文献[13－14]。浅埋、地质条件差的洞口Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法开挖，单循环进尺为0.8m。开挖步序是侧上导洞①、②交错开挖若干米后，侧下导洞③、④再跟进，中导洞⑤、⑥最后开挖，中导洞⑥施工前先将两个竖向的临时钢支撑拆除，开挖步序如图1所示。图1Ⅴ级围岩段开挖步序图Fig.1ExcavatingstepgraphofⅤclasssurroundingrock3监测方案为了研究大断面隧道施工期间围岩的稳定性，验证施工方案是否可行，支护结构是否具有足够的强度，同时作为下一步穿越ZK459+968～ZK460+007的强风化裂隙带的试验段。根据隧道上方的地形地貌和埋设条件，提前在隧道进口Ⅴ级围岩段布设4个断面进行现场监测，本文选择最有代表性的ZK459+640断面进行分析研究。如文献[8]所示，隧道围岩变形及支护结构的受力状态是隧道稳定性的直接表现。因此，根据大帽山隧道的空间布局和隧道施工方式，在围岩变形方面开展的监测项目有：地表沉降、围岩内部位移和拱顶沉降监测；在支护结构应力监测方面开展的监测项目有围岩压力和锚杆轴力监测。断面ZK459+640上监测点布设如图2所示。图2断面ZK459+640监测点埋设剖面图Fig.2ArrangementprofileofmonitoringpointsinsectionZK459+640⑤②④⑥③①钢支撑钢支撑钢支撑中空锚杆5.89m8.83m新建四车道隧道既有隧道多点位移计孔既有隧道⑤②④⑥③①0.5m1.2m2.0m0.8m1.8m3.0m5.0m0.6m1.6m3.5m6.5m0.7m2.5m4.2m7.2m0.5m1.5m3.0mA3A2A1K2K3K4K1K5截水沟地表17.8m坡积粉质黏土：红褐色，硬塑，稍湿，主要由黏粉粒组成，含砂砾，黏性差，手捻砂感明显，套管护壁成孔。全风化花岗岩：黄褐色，矿物成份，大部分已风化，呈砂状土，岩芯遇水软化，泥浆护壁成孔，基本没有取到芯样。碎块状强风化花岗岩：黄褐色，矿物大部分已风化，岩芯呈碎块状，泥浆护壁成孔，累计取芯长度不超过1.5m，最大单段长度不超过10cm。68.97m62.55m52.70m注：除高程外所有的埋设深度都以隧道开挖轮廓线为0m基准。T2T5T1T3T40.5m1.0m3.5m0.5m1.0m3.5mM1M2拱顶沉降监测点土压力盒M1、M2为锚杆应力监测孔K1～K5为多点位移计监测孔T1～T5土压力盒D1～D11地表沉降点D2D4D6D8D10D1D3D5D7D9D1171.07m490第2期张国华等：大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析断面ZK459+640的上方正对着既有隧道地表截水沟，沟底是浆砌片石，高程为71.07m，与隧道拱顶的高差为17.8m。截水沟的走向与隧道轴向垂直，在此沟内布设11个地表沉降监测点，监测隧道开挖引起地表沉降量，编号分别为D1～11。同样，在此沟内布设3个围岩内部位移监测点，编号分别为K2～4，其中K2～4分别与地表沉降点D4、D6、D8在同一个位置。多点位移计均采用4点式，每个位移传感器的埋设深度如图2所示。多点位移计超前于开挖掌子面20m提前预埋，从埋设多点位移计的钻孔情况来看，隧道拱顶以上岩体条件差，岩体强风化，强度和自稳能力都较低。实际上，隧道在掘进到监测断面附近时，由于上断面①、②、⑤导洞的岩体较破碎，此部分的开挖基本以机械挖掘为主，沿深度方向岩体条件慢慢过渡变好，但裂隙发