青岩山隧道施工监控量测分析

张翔鹤

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

1 工程概况

青岩山隧道全长3474.5 m，左右洞呈分离或小净距布置，左洞全长3479 m，右洞全长3470 m，为特长隧道，位于长福高速A1-2 与A2 合同段分界处。 本合同段(A1-2)内起讫桩号为：左洞ZK65+096～ZK66+488.258，右洞YK65+095～YK66+500。 左洞长1392.258 m， 右洞长1405 m。隧道进口段左右洞均位于直线范围内，分别处于半径1500 m、1550 m 圆曲线上。 左洞纵坡坡率/坡长为0.5%/854 m，-1.288%/538.258 m； 右洞纵坡坡率/坡长为1%/855 m，-1.362%/550 m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道区属剥蚀丘陵地貌，地形起伏变化大，地面高程115～450 m，相对高差约335 m，进口侧坡度约10°～30°，出口侧坡度约23°～30°， 上覆坡积粘性土-强风化熔结凝灰岩，坡体较稳定，破面植被发育，主要为林木，坡脚及沟谷低洼处为水稻田。

2.2 工程地质条件

隧道址区表层地表上覆为第四系残坡积层， 下覆基岩为侏罗系南园组凝灰熔岩及其风化层。 隧道洞身围岩为微风化凝灰熔岩，属坚硬岩，岩体较完整～完整，对隧道洞身围岩的稳定较有利。 隧址区发育2 条断层，5 条节理裂隙密集带，对围岩稳定不利，影响隧道围岩级别，隧道开挖时，围岩稳定性较差，易产生塌方掉块。

隧道最大埋深约330 m， 深部围岩主要为微风化熔结凝灰岩，为坚硬岩，岩体多呈块状，节理裂隙较发育，钻探过程中，未发现岩芯饼化现象，据区域资料，本隧道属于一般应力区，发生岩爆的可能性不大，即使局部地段发生岩爆，也属于轻微岩爆，对工程影响小。

2.3 水文地质条件

隧道位于当地侵蚀基准面之上，山坡坡体较陡，地形起伏较大， 隧址区地表穿越多条山凹冲沟， 属季节性沟谷，具有典型的山区沟谷特征，隧道进口段发育一冲沟，勘察期间少有流水，流量小于6 m3/d，水流较清澈，水量受雨季影响较大，对隧道施工及运营不利。

场地环境类型为Ⅱ类，隧道围岩为弱透水层，场区地下水、地表水所测的各项指标对混凝土及混凝土中钢筋有微腐蚀性。 计算得出隧道单洞最大总涌水取13300 m3/d，正常涌水量取值6500 m3/d。

3 监测方案

根据青岩山隧道现场围岩条件， 在喷射混凝土施工前，在拱顶与左、右拱腰处预埋土压力计，用以监测围岩压力；同时，在临近的钢支撑内、外侧翼缘安装表面应变计，用以监测钢支撑受力情况。此外，在断面拱顶与左、右拱腰处就近施作的锚杆上各安装3 个钢筋应力计进行锚杆轴力监测， 并在监测的锚杆周边各安装一个位移计进行围岩内部位移监测[1]。

在挂防水板及浇筑二衬混凝土前在拱顶与左、 右拱腰处分别安装土压力计，用以监测两层支护间压力；并在二衬混凝土施工前在拱顶与左、 右拱腰处安装埋入式应变计，用以监测二衬混凝土受力情况。

所有监测元件尽量安装在整个断面内， 各传感元件埋设位置如图1 所示。

4 施工监控量测分析

4.1 洞内外变形分析

图1 监测元件安装示意图

先选取YK66+143 断面展开分析，该断面埋深＞300 m，围岩为微风化凝灰岩，节理裂隙较发育，岩体较完整，呈块碎状镶嵌结构，拱顶右侧有股状裂隙水流出，地质预报显示前方为节理裂隙密集带， 施工中对该处附近位置进行了加强支护。

图2 拱顶下沉-时间曲线图

图3 周边位移-时间曲线图

由图2～3 可知， 洞内变形主要发生在开挖后的几天时间，在及时支护后随着开挖面的掘进，监测点受到的扰动逐渐减弱，监测断面在较短时间内就达到了稳定，监测期间洞内观察无异常。

4.2 支护结构受力分析

4.2.1 二衬内应力

由图4 可知，不同位置的二衬混凝土应力差别较大，随混凝土强度增长一直处于缓慢变化中， 整体增幅相对较小，在达到强度后趋于稳定。 对比钢支撑内力，二衬各位置受力值较小，可见还有极大的受力潜力，也说明钢支撑在整个支护结构中起到很好的支护效果， 初级支护系统承担了大部分围岩压力， 二衬混凝土则可视为巨大的安全储备。

图4 二衬应力-时间曲线图

4.2.2 两层支护间压力

由图5 可知，初支与二衬间压力分布有些许不均匀，拱顶处压力最大， 左拱腰、 右拱腰渐次减小呈较对称分布。初支与二衬间压力初始阶段略有波动，在二衬混凝土凝固、产生强度后，各处压力趋于稳定，最终表现为与围岩压力较一致。

图5 两层支护间压力-时间曲线图

4.2.3 钢支撑内力

由图6 可知，钢支撑内力受压为正，钢支撑外环以受压为主，内环以受拉为主，初期支护产生作用后，钢支撑受力趋于平稳。当二衬施工完毕产生强度，亦分担了围岩压力，如拱顶内缘处受力随二衬施工、混凝土产生强度过程中，逐渐减小拉力，甚至处于不受力状态，其余钢支撑受力几乎不变， 表明钢支撑与喷射混凝土共同承担了大部分围岩压力，二衬分担初期支护的小部分应力。

图6 钢支撑内、外缘应力-时间曲线图

总体来看，钢支撑在初期支护系统中所受应力较大，承受了大量围岩荷载， 对提高初期支护整体强度起到了很大作用，对于破碎带处等围岩条件不佳的隧道来说，施作钢拱架是很有必要的[2]。

4.2.4 锚杆轴力

结合图7～9 可知，各锚杆受力初期变化较大，浅层围岩较深层围岩受开挖影响更大， 锚杆轴力随埋深增大逐渐减小。 整体而言，锚杆以受拉为主，各锚杆轴力受力变化不大，呈稳定状态，受力值也较小，围岩比较稳定。

图7 拱顶处锚杆轴力监测时间曲线图

图8 左拱腰处锚杆轴力监测时间曲线图

图9 右拱腰处锚杆轴力监测时间曲线图

4.3 围岩受力变形分析

4.3.1 围岩压力

由图10 可知，围岩与初期支护之间的压力分布并不均匀， 但已趋稳定。 监测期内呈现出左拱腰围岩压力较大，左、右拱腰围岩压力呈不对称分布，拱顶相对较小的情况，可知拱顶应力已释放充分，围岩或因右洞先行且地势较左洞低呈现偏压。该断面各测点压力虽有差异，但整体数值均较小，附近围岩条件较好。且随着二衬混凝土浇筑完毕，各测点围岩压力渐趋稳定且小于最大值，说明二衬已发挥作用，开始受力[3]。

图10 围岩与初支之间压力-时间曲线图

4.3.2 围岩位移

图11 围岩位移-时间曲线图

由图11 可以看出， 各监测点位移变化模式类似，总体变形量小，其中拱顶位置变形量较左、右拱腰稍大，围岩较快产生成拱效应。各监测点初期位移变化较大，随后趋于平缓， 与锚杆轴力监测曲线图印证监测断面附近围岩条件较好，围岩自承载能力强，且初支及时，所以围岩总体位移很小。

5 结论和建议

青岩山隧道YK66+143 断面施工中处于Ⅲ级围岩自加强范围，为抗压强度较高坚硬岩，监测反应围岩位移与锚杆轴力均较小，且很快趋于稳定，故支护结构和施工方法合理，安全性高。

可考虑在后续开挖的类似或更佳围岩条件位置优化系统锚杆参数， 如适当缩短锚杆长度或减少系统锚杆数量，亦可尽快施工二衬，实现安全快速施工，减少工序。