王村隧道采用上台阶CD法施工监测结果与分析

聂记良 向忠宝 王强

【摘 要】在大跨度黄土隧道施工过程中，为保证隧道施工安全，监控量测工作非常必要。本文以黄延高速公路扩能工程LJ-4标王村隧道为工程背景，通过对隧道右线Ⅴ级围岩深埋段初期支护进行监控量测，测试结果表明：在王村隧道Ⅴ级围岩深埋段采用上台阶CD法进行施工，能够保证隧道围岩稳定和施工安全，为今后类似工程施工提供了参考依据和经验。

【关键词】大跨度；黄土隧道；上台阶CD法；监控量测

1.引言

在大跨度黄土隧道施工过程中，由于黄土具有围岩强度低、自稳能力差、受水影响强烈、围岩变形显著等特点[1]，施工过程中容易出现衬砌开裂、拱部沉降过大、甚至塌方等问题。因此在隧道施工过程中必须进行监控量测，通过监控量测掌握围岩的变形特征及其发展趋势，进而对隧道施工方案及支护参数进行调整和优化，以确保隧道施工安全[2]。本文以王村隧道为依托工程，通过对隧道右线Ⅴ级围岩深埋段初期支护进行监控量测，研究上台阶CD法在大跨度黄土隧道Ⅴ级围岩深埋段的适用性及采用其施工方法后隧道围岩的变形规律，可为今后类似工程施工提供参考依据和经验。

2.工程概况

王村隧道位于陕西省延安市黄陵县境内，隧道设计为曲线型分离式双向六车道，最大开挖断面177.1m2，最大开挖跨度17.04m，最大开挖高度11.78m。隧址区揭露地层由老至新依次有第四系下更新统午城组黄土（Q1eol）、中更新统离石组黄土（Q2eol）和上更新统马兰组黄土（Q3eol）。隧道围岩单一，为Ⅴ级围岩。隧址区地下水总体不丰富，在第四系黄土中有含水层，处于该段的隧道围岩含水率为19.8%～24.25%，其围岩稳定性较差，开挖时会有滴水或渗水现象。隧道Ⅴ级围岩深埋段施工采用上台阶CD法，初期支护采用超前小导管周壁预注浆、锁脚锚管、钢拱支撑配合喷射混凝土形成整体，二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌。

3.监控量测方案

3.1监控量测目的及内容

隧道施工过程中，通过监控量测要达到以下4个目的：①研究上台阶CD法在大跨度黄土隧道Ⅴ级围岩深埋段的适用性及采用其施工方法后隧道围岩的变形规律；②掌握围岩和支护结构工作状态，为隧道施工日常管理提供安全信息；③通过对量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以便对设计和施工的合理性进行评估，以确保施工安全和隧道的支护衬砌结构的可靠度[3]；④为信息反馈技术和其他类似工程积累监控量测数据和经验[3]。监控量测项目包括初期支护的拱部下沉和初期支护的净空收敛。

3.2监控量测断面及测点布置

王村隧道右线Ⅴ级围岩深埋段共埋设6个变形监测断面，埋设桩号如表1所示。

表1 隧道变形监测断面桩号

断面序号 断面桩号 断面序号 断面桩号

1 YK11+954.6 4 YK11+933.0

2 YK11+951.0 5 YK11+929.8

3 YK11+938.4 6 YK11+926.8

根据现场施工方法，在先行上导和后行上导埋设全站仪反光贴膜测点，采用TOPCON OS-602G全站仪监测隧道开挖及施工过程中隧道的净空收敛和拱部下沉变化情况，测点布置如图1所示[4]。

4.监控量测结果与分析

4.1净空收敛

由于篇幅有限，仅选择YK11+933.0和YK11+929.8断面的监测数据进行分析，其净空收敛时态曲线如图2和图3所示。

图1 Ⅴ级围岩深埋段变形监测测点布置图

图2 YK11+933.0断面净空收敛时态曲线图

图3 YK11+929.8断面净空收敛时态曲线图

（1）先行上导收敛

由图2～3可知先行上导拱腰处最大收敛值为56mm、35mm，平均值为45.5mm，最终收敛值为38mm、1mm，平均值为19.5mm；先行上导最大开挖线处最大收敛值为136mm、58mm，平均值为97mm，最终收敛值为116mm、55mm，平均值为85.5mm。在后行上导开挖之前，先行上导收敛曲线呈直线型增长，增长速率先大后小然后再变大，在后行上导即将开挖时，其收敛值达到最大值，后行上导开挖后，其收敛值呈直线型急剧减小，在先行下导即将开挖时，其收敛值呈放缓趋势，先行下导开挖后，其收敛曲线呈缓慢增长阶段，然后逐渐趋于稳定。后行上导开挖对先行上导的收敛影响较大。

先行上导拱腰处的最大收敛值和最终收敛值均小于其最大开挖线处的最大收敛值和最终收敛值；先行上导最大开挖线处的最大收敛值约为其拱腰处的最大收敛值的1.91倍，先行上导最大开挖线处的最终收敛值约为其拱腰处的最终收敛值的4.39倍，可见后行上导开挖对先行上导拱腰处的收敛值的影响大于后行上导开挖对先行上导最大开挖线处的收敛值的影响。

（2）后行上导收敛

由图2～3可知王村隧道后行上导最大开挖线最终收敛值为27mm、72mm，平均值为49.5mm。在先行下导开挖之前，后行下导最大开挖线处的收敛曲线基本呈直线型增长，增长速率较为平缓，先行下导开挖之后，其收敛曲线呈直线型增长，增长速率急剧增加，后行下导开挖之后，其收敛曲线继续呈直线型增长，增长速率缓慢，然后逐渐趋于稳定。先行下导开挖引起的相对收敛较大，后行上导、后行下导开挖引起的相对收敛较小。

4.2拱部沉降

由于篇幅有限，仅选择YK11+933.0和YK11+929.8断面的监测数据进行分析，其下沉时态曲线如图4～7所示。

图4 先行上导YK11+933.0断面拱部下沉时态曲线图

图5 先行上导YK11+929.8断面拱部下沉时态曲线图

图6 后行上导YK11+933.0断面拱部下沉时态曲线图

图7 后行上导YK11+929.8断面拱部下沉时态曲线图

（1）先行上导初期支护阶段拱部下沉

由图4～5可知，先行上导初期支护阶段拱部下沉的最终沉降量为61mm～131mm，平均值为103.2mm。在后行上导开挖之前，其下沉时态曲线基本呈直线型增长，增长速率先大后小然后再变大，后行上导开挖后，其下沉值继续增加，增长速率急剧增加，中隔壁拆除、仰拱开挖之后，其下沉曲线呈放缓趋势，呈缓慢增长阶段，然后逐渐趋于稳定。

先行上导开挖引起的拱部下沉比例较大，后行上导开挖引起的拱部下沉比例其次，先行下导、后行下导、中隔壁拆除、仰拱开挖及封闭引起的拱部下沉比例较小。各研究断面的拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱开挖之前的比例为稳定后总沉降量的94.5%，说明初期支护的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱开挖之后的变化很小。先行上导拱部沉降时态曲线大致相同，最终沉降值也基本相同，这说明隧道先行上导拱部为整体下沉。

（2）先行上导初期支护阶段中隔壁腰和中隔壁脚下沉

由图4～5可知，先行上导初期支护阶段中隔壁腰和中隔壁脚的最终沉降量为54mm～60mm，平均值为57mm。在后行上导开挖之前，其下沉时态曲线基本呈直线型增长，增长速率先大后小然后再变大，后行上导开挖后，其下沉值继续增加，增长速率急剧增加，后行下导开挖后，其下沉曲线呈放缓趋势，呈缓慢增长阶段，然后逐渐趋于稳定。

先行上导开挖引起的中隔壁腰和中隔壁脚下沉比例较大，后行上导开挖引起的中隔壁腰和中隔壁脚下沉比例其次，先行下导、后行下导开挖引起的中隔壁腰和中隔壁脚下沉比例较小。各研究断面的中隔壁腰和中隔壁脚下沉在先行下导、后行下导开挖之前的比例为中隔壁拆除前总沉降量的73.1%，说明初期支护的中隔壁腰和中隔壁脚沉降在先行下导、后行下导开挖之后的变化较小。

（3）后行上导初期支护阶段拱部下沉

由图6～7可知，后行上导初期支护阶段拱部下沉的最终沉降量为24mm～65mm，平均值为36.5mm。在后行下导开挖之前，其下沉时态曲线基本呈直线型增长，增长速率先大后小然后再变大，后行下导开挖后，其下沉值继续增加，增长速率急剧增加，中隔壁拆除、仰拱开挖之后，其下沉曲线呈放缓趋势，呈缓慢增长阶段，然后逐渐趋于稳定。

后行上导、先行下导开挖引起的拱部下沉比例较大，后行下导、中隔壁拆除、仰拱开挖及封闭引起的拱部下沉比例较小。各研究断面的拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱开挖之前的比例为稳定后总沉降的88.5%，说明初期支护的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱开挖之后的变化较小。后行上导拱部沉降时态曲线大致相同，最终沉降值也基本相同，这说明隧道后行行上导拱部为整体下沉。

5.结论与建议

通过对王村隧道右线Ⅴ级围岩深埋段初期支护结构变形的长期监测、监测数据的分析，主要得出如下结论：

（1）初期支护净空收敛

上台阶CD法施工过程中，先行上导收敛经历了“收敛-扩张-稳定”三个阶段；先行上导收敛受后行上导开挖的影响较大；后行上导收敛受先导边墙开挖的影响较大。

（2）初期支护拱部下沉

①隧道拱部下沉受先行上导和后行上导的开挖影响最大；隧道拱部下沉在中隔壁拆除、仰拱开挖之前的比例为稳定后总沉降的88.5%～94.5%，说明初期支护的拱部沉降在中隔壁拆除、仰拱开挖之后的变化很小。

②中隔壁临时支护下沉受先行上导开挖影响最大，受后行上导开挖影响其次，受先导边墙和后导边墙开挖影响最小。

③隧道拱部沉降时态曲线大致相同，最终沉降值也基本相同，说明隧道拱部为整体下沉。

通过对王村隧道右线Ⅴ级围岩深埋段初期支护进行监控量测，测试数据表明：在王村隧道Ⅴ级围岩深埋段采用上台阶CD法进行施工，能够保证隧道围岩稳定和施工安全，在王村隧道Ⅴ级围岩深埋段采用上台阶CD法进行施工是切实可行的。

参考文献：

[1]刘旭全等.监控量测技术在客运专线大断面黄土隧道中的应用[J].铁道工程学报，2007.

[2]张国华等.大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J].岩土力学，2010.

[3]中华人民共和国行业推荐性标准.公路隧道施工技术规范JTG F60—2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]中华人民共和国行业推荐性标准.公路隧道施工技术细则JTG/T F60—2009[S].北京：人民交通出版社，2010.