山岭隧道原位扩建工程监测数据分析研究

毛祚财

(福州市城乡建设发展有限公司 福建福州 350003)

0 引言

近年来，随着国内公路交通运输量的大幅增加，部分早年修建的公路隧道已经不能满足日益增长的的交通运量需求。与此同时，鉴于当时施工技术和管理水平的限制，造成了既有隧道常存在衬砌背后空洞和不密实、衬砌材料的劣化和开裂等病害[1]。因此，对现有公路进行扩建改造是解决问题的关键[2]。

原位隧道扩建是指在原有隧道基础上将隧道断面扩大，从而形成跨度更大的隧道[3]。相对于常规的隧道开挖而言，原位扩建隧道会改变既有隧道的结构形式，不仅打破了既有隧道已经形成的应力平衡状态，而且隧道断面的扩大将增大应力集中的程度，对既有隧道扩挖后的稳定性带来新的挑战，同时扩建施工也会对既有隧道围岩位移和力学特性造成不同程度的改变[4]。

在原位隧道扩建工程方面，国内外已进行了初步的研究，国内也已有隧道原位扩建的成功案例[5-9]。如：丘礼球[8]等依托福建漳龙高速公路后祠隧道新(扩)建工程，通过现场监测和三维数值仿真模型，研究拱顶沉降、洞周收敛、以及隧道开挖和支护后围岩稳定性的变化规律；钟元庆[4]等依托同一工程,分别对隧道围岩及支护结构应力、松动圈及应力场和邻近既有隧道爆破振动进行了现场监测和研究，从而总结了三台阶法施工对原位扩建隧道结构及邻近既有隧道扰动的影响规律；郑宏利[9]结合大帽山隧道扩建工程的实践经验，阐明了CD工法开挖时围岩内部周边收敛的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护间的相互调整变形机制。

上述研究为隧道改扩建施工提供了基础参考。总的来说，目前国内外对于隧道扩建技术和理论的研究呈逐步增多的态势，但对于扩建过程中隧道变形的现场实测的研究还相对比较少。基此，本文结合福州马尾隧道北洞的施工过程和现场监测成果，研究分析不同开挖方式和开挖阶段中隧道围岩变形和支护结构内力的变化特点，拟为隧道开挖方案和支护体系的优化提供依据，以期作为类似工程的设计和施工参考。

1 工程背景及开挖方式

既有马尾隧道位于福州市福马路东端，贯穿马限山，为整体式衬砌结构，建成至今已有28年之久。由于材料老化及当时设计施工技术水平有限等原因，隧道衬砌产生大量裂纹，通过检测发现衬砌壁后存在大量空洞。本次改造将对隧道进行原位拓宽，把原单洞2车道分别拓宽为单洞4车道+1个人行道。隧道长968.6m，拓宽后净宽16.07m，拱高9.054m，含仰拱拱高11.44m。

场地地质条件为剥蚀残丘地貌，场地稳定性评价为较稳定场地。该隧道所处地形起伏较大，最大埋深约126m，洞口段埋深约30m。北洞洞口由外到内分别为Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级围岩，北洞NK17+640.717-NK17+835.0、NK18+500.0-NK18+605.093为Ⅳ级围岩，其余为Ⅱ级、Ⅲ级围岩。隧道施工顺序如下：①拆除上台阶左侧既有隧道衬砌，开挖上台阶左侧；②上台阶左侧初支施工；③拆除上台阶右侧既有隧道衬砌，开挖上台阶右侧；④施工上台阶右侧初支；⑤开挖下台阶左侧，拆除下台阶左侧既有隧道路面及衬砌；⑥下台阶左侧初支施工⑦开挖下台阶右侧；⑧下台阶右侧初支施工；⑨下台阶预留核心土层开挖；⑩仰拱开挖；下台阶仰拱初支施工；二衬施工。

施工工序示意如图1所示。对于Ⅳ级围岩段，施工过程中NK17+785-NK17+835、NK18+500-NK18+572段上台阶为同时开挖，其他部分上台阶左右侧开挖时间大致相隔约一周。分别在左右开挖段取一典型断面A，上台阶同时开挖段取一典型断面B。

图1 施工工序示意图

2 围岩变形监测分析

根据公路隧道设计和施工规范的基本要求[10]，结合隧道原位扩建和特大断面隧道开挖的施工工艺以及地质情况，具体包括拱顶沉降、周边收敛、围岩体内位移、围岩压力、喷射混凝土应力、钢支撑内力、锚杆轴力、初支与二衬支护间压力、模筑二衬应力等。

在马尾隧道施工过程，监测小组获得了大量监测数据。本文重点以隧道进出口Ⅳ级围岩段为例，简要介绍监测成果，并进行相关分析研究。

该项目对隧道拱顶下沉、周边收敛以及围岩体内位移进行了较为密集的监测，其中在NK17-692-NK17+835、NK18+500-NK18+572段每10m设置一个监测断面，开展隧道围岩变形实时监测，并获得了丰富的数据。为了分析隧道扩挖后围岩变形随时间的变化规律，以及各开挖阶段对围岩变形的影响，选取了Ⅳ级围岩段中的几个具有代表性的断面，并将这些断面的监测数据绘制成若干相关曲线图，以便分析、比较与研究。隧道断面上各监测点分布如图2所示。

图2 监测点布置示意图

2.1 拱顶下沉

此次隧道开挖工程采用台阶法进行施工。以A断面为例。由施工台账可知，该断面右上台阶于2018年11月20日挖通，左上台阶于5天后即11月25日开挖。而下方左右台阶则分别在一个月后，即同年12月25日和12月18日挖通。工况与拱顶下沉变形示意图如图3(a)所示，图中以下沉为正。B断面上台阶于12月7号挖通，下方左右台阶则在12月22日前后挖通。工况与拱顶下沉变形示意图如图3(b)所示。两个典型断面沉降速率如图4(a)、图4(b)所示。

(a) A断面

(a) B断面图3 上台阶断面左右侧同时开挖拱顶下沉-时间图

(a) A断面

(a) B断面图4 上台阶断面左右侧同时开挖拱顶沉降速率

不同的施工方案会导致围岩的力学特性不同。了解围岩的应力特征有利于确保施工期间围岩的稳定性[11]，故针对两个典型断面进行对比分析。对比分析表明：

(1)两个断面在上台阶开挖前后拱顶下沉速率较大，相较而言在下台阶开挖时拱顶下沉速率则不再大幅波动，变形逐渐趋于平稳。可见在隧道原位扩建台阶法施工中，上台阶开挖会引起隧洞较大变形。究其原因，这是由于上台阶开挖通过时会拆除原隧道衬砌，形成了空洞，空洞上方的岩体在自重作用下自然会向下移动，而此时初支和围岩因没有充分接触耦合，没能充分发挥支护的作用，故，位移较大。而下台阶开挖时支护结构已逐渐成型，原有隧道衬砌拆除后围岩内力调整已逐渐完成，加之地质条件较好，所以变形逐渐趋于平稳。故，建议在上部开挖阶段应加强变形监测，并及时做好支护措施。

(2)如图3(a)、图3(b)所示，A断面拱顶沉降大致稳定在8mm左右，而B断面拱顶沉降大致稳定在14mm左右，A断面沉降量约为B断面的57%。由此可见，同一断面分左右侧开挖可以有效降低隧道拱顶变形量。这主要是因为分开开挖时，左侧开挖完成后在右侧开挖的同时即可进行支护结构的施工，起到了及时支护防止变形自由发展的作用。这进一步说明了隧道扩建工程中支护结构及时成型的重要性。

(3)左右侧分开开挖(A断面)过程中出现了不对称变形的现象，而同时开挖断面(B断面)变形则有一定的对称性，与新建隧道相似。这表明在该隧道扩建过程中，既有隧道的存在不是新建隧道变形的主要影响因素。这主要是因为该隧道建成运营时间将近20年，围岩变形早已稳定，某种程度上讲其无异于新建隧道的开挖。

2.2 围岩体内位移

围岩体内位移量测的是隧道周边某点及围岩内部不同深度各点的位移状态。在该工程中，围岩体内位移量测所得结果是量测某一深度围岩体位置与隧道位置的相对位移，即数值越大说明所测位置围岩体内位移越小。

为分析隧道开挖后围岩变形随时间变化规律，以及不同开挖方式对围岩体变形的影响，分别将A、B断面各位置的围岩体位移监测数据绘制成时间累计位移曲线图，如图5(a)、图5(b)所示。

2.2.1围岩体内位移变化分析

以A断面为例，分析图5(a)。围岩体内位移变化趋势大致呈折线式，即先急剧上升至一定值后便不再增长，趋于平缓。其中拱顶处围岩体内位移值最大，拱腰处次之，边墙处最小。

图5(a)上台阶左右侧分开开挖(A断面)围岩体内位移分析3m处围岩体内位移可知，图中左右拱腰处出现了明显的不对称位移的现象，左拱腰处相对位移小于右拱腰处，表明左拱腰处围岩体内产生的位移更大。考虑到该工程中既有隧道恰好位于扩建隧道左侧以及既有隧道可能存在的病害，分析认为既有隧道衬砌的老化、脱空使得此处岩体出现较大变形乃至松动现象，而新开挖的右拱腰处则相对较为稳定，从而造成了既有隧道处变形会稍大的现象。

(a) A断面

(a) B断面图5 上台阶左右侧同时开挖围岩体内位移

5m处围岩体内位移则呈对称状，如图6所示，除右拱腰外，其他位置围岩体内位移随围岩体深度增大而逐渐收敛，可见5m处围岩体已较为稳定，由此推测隧道扩挖对周边围岩影响范围大致至于此。

图6 左右同时开挖断面(B断面)各位置围岩体内最终累计位移

2.2.2不同开挖方式对周边围岩体内位移的影响

对比图5(a)与图5(b)可发现如下现象：

(1)A断面各位置相对位移均大于B断面，即A断面中各位置围岩体内位移均比B小，与上文提到的拱顶下沉的变化规律相符合。这表明在隧道原位扩建工程中采用台阶施工时，左右侧分开开挖能有效地控制周边围岩体内位移。

(2)图5(a)中各位置均出现了不对称位移，这是断面左右侧分开开挖引发不同位置围岩体多次扰动所导致。

3 结论

依托福州马尾隧道原位扩建工程，开展现场动态实时监测，并对监测数据进行整理、分析，主要得出以下结论：

(1)在隧道原位扩建过程，不同的开挖方式会对围岩变形方式产生不同的影响。其中既有隧道衬砌的拆除会引起隧道围岩的较大变形，而这也是此类工程中围岩变形的主要来源。故在此阶段应加强监测，及时预警。

(2)在隧道原位扩建工程台阶法施工中，不同的开挖方式会对围岩变形方式产生不同的影响，其中上台阶开挖时相对于将断面分为左右侧进行开挖，一次性开挖对岩土体扰动较大，继而会引发隧道与围岩体更大的变形。从变形控制角度看，先进行既有隧道上部衬砌的拆除和上部土体开挖，可以有效控制变形增长。