特大断面隧道管幕段围岩变形时空效应分析

孙玉伟

摘要： 随着我国城市特殊地区特大断面隧道管幕施工建设数量增多，急需针对特大断面隧道管幕段在施工阶段围岩的时空变形规律来进行总结。以福州工业北路延伸线工程文林山隧道为例，结合其变形监控量测数据资料，分析了“三台阶七步法”开挖下特大断面的隧道管幕段在施工期间围岩时空变形的规律，确定了围岩变形-时间特征曲线及围岩变形-距掌子面的距离关系曲线类型;分析围岩拱顶位移的释放率与时间和距掌子面之间的距离关系，研究了空间位置对特大断面隧道管幕段施工阶段围岩产生变形的时空效应影响规律。实验结果显示：围岩变形-时间特征曲线类型为“厂”型。围岩的变形与监测到距掌子面之间距离的关系曲线类型也为“厂”型，当一个监测断面到掌子面距离超过1.6倍的洞径时，围岩的变形就会趋于稳定，空间效应趋于消失。最后，得到了隧道管幕段围岩拱顶位移的释放率和距掌子面之间的距离变化规律，研究所得结论在特大断面隧道管幕段围岩长期安全稳定性研究中十分具有借鉴价值。

关键词：管幕施工;特大断面隧道;时空效应;位移释放率。

0.引言

在这些岩石地层中进行隧道开挖，隧道中围岩产生的应力和变形并不是瞬间能释放完成的，而是伴随着时间的推移逐渐扩展增大并且趋于稳定平衡的，这被称作隧道施工的时空效应。

国内外学者针对隧道建设施工中围岩变形产生的时空效应有了很多研究。李志清通过现场测试分析了三台阶七步法施工条件下的浅埋大断面黄土隧道的围岩变形的时空效应。

当前研究对各开挖断面下的隧道围岩变形时空效应进行了诸多有益的研究，但对于特大断面隧道管幕段的围岩变形时空效应的研究甚少。管幕法作为一种新型的隧道超前支护施工方法，可有效控制地表沉降，在城市建筑密集、交通繁忙路段和浅埋大断面的地下工程中得到广泛应用。研究隧道管幕段的围岩变形时空效应对于指导同类隧道工程设计和施工具有重要意义。

本文主要是通过现场实际监控测量数据分析特大断面隧道管幕段在建设中采用的三台阶七步法施工方法中围岩变形的时空效应，并且从围岩位移释放率的视角分析了空间位置对围岩变形时空效应的影响，为特大断面隧道管幕段的围岩长期稳定性研究提供了参考。

1.工程概况

福州工业北路延伸线工程文林山隧道下穿文林山、后县山，隧道段包括车行左、右线与慢行线，隧道出口属于超浅埋段，结合该段的地质条件采用ϕ299 mm × 10 mm管幕作为超前支护。

该隧道所在地区地形的起伏很大，最大埋深约112米，洞口段最小埋深1.2米。设计的净跨度是19.38米，净高度是12.93米，开挖断面积约215.24m2，属于特大断面隧道。文林山隧道出口全貌如图1所示。

2.现场实测内容及方法

该隧道开挖采用三台阶七步法进行施工，以弧形导坑开挖预留核心土为的方式， 分为上、中、下三个台阶七个面开挖，各面的开挖支护都是沿隧道纵向错开、平行推进的。三台阶七步开挖法分以下三个步骤：上台阶的弧形导坑环向开挖预留核心土， 施作拱部初期支护;中、下台阶左右错开开挖，施作墙部初期支护;中心预留核心土开挖、隧底开挖，施作隧底初期支护。每步开挖后必须及时支护，隧底初期支护后要及时施作仰拱，早封闭成环。三台阶七步法开挖的透视图及现场施工实际施工情况图如图2和图3所示。采用精密水准仪和钢挂尺量测隧道拱顶沉降。基点埋设在受施工扰动的范围以外的结构物上。

3.现场实测结果及分析

隧道洞内变形监测断面数量较多，受篇幅限制，对监测断面不一一列举加以分析，在断面的选择上，选择管幕段内3处较典型的监测断面的拱顶沉降的时间和空间关系进行分析，选取断面位置及地质情况见图4。

3.1.围岩变形时间效应分析

隧道围岩拱顶下沉和拱顶下沉速率随时间变化曲线如图5、图6所示。

由上图分析可知：

（1）隧道拱顶随着时间推移逐渐增大，呈现“快速增长-缓慢增长-基本稳定”的趋势，拱顶下沉-时间曲线呈“厂”型，曲线在28天后趋于平稳，快速增长阶段持续7～14天，即随着开挖面的向前推进，隧道围岩变形开始趋于稳定，在此阶段之后，隧道围岩变形基本趋于稳定，增长速率约为0.2～0.3mm/d，最终达到稳定，这一阶段持续时间一般约14天，这是由于围岩内应力在仰拱封闭后发生了变化。

（2）对比三个监测断面监测数据可以发现，管幕段开挖过程中拱顶沉降量与下沉速率均呈现出与距洞口距离呈负相关的性质。

为了进一步的研究隧道施工阶段围岩时间效應，计算出不同的时间隧道围岩径向位移的释放率（见表1），隧道拱顶位移释放率—时间曲线，如图7所示

由图7可以看出，监测的三个断面围岩拱顶位移释放率与时间的关系有所差异，说明空间位置对隧道施工阶段围岩变形的时间效应有很大影响。各断面隧道围岩径向位移释放率随时间的变化规律如下：

ZH3+801：该断面距洞口15米（小于一倍洞径），开挖7天的位移释放率在各断面中最小，仅30%左右，在21天后达到90%。

ZH3+750：该断面距洞口66米（约3倍洞径），开挖七天位移释放率接近40%，18天达90%。

ZH3+728：该断面位移距离洞口88米，位于有管幕段支护地层与天然地层过渡地段，该断面开挖七天位移释放率已超过50%，22天达90%。

3.2.围岩变形空间效应分析

围岩拱顶下沉和拱顶下沉速率与距掌子面的距离D的关系曲线分别如图8、图9所示。

由图8、9可以看出，管幕段内各个断面范围围岩的变形与距掌子面的距离关系曲线呈“厂”型。随掌子面开挖的推进，各个断面的围岩变形逐渐增大，其变形速率也呈现出跳跃式减少，最终趋于稳定。当监测断面距掌子面的距离为1.2～1.5倍洞径时，拱顶的沉降更加趋于稳定。

为了进一步深入研究隧道施工阶段围岩空间效应，计算在不同距掌子面距离的条件下围岩径向位移释放，隧道拱顶位移释放率与距掌子面的距离关系曲线如图10所示

由图10可以看出，三个断面隧道围岩拱顶位移释放率与距掌子面距离的关系存在差异，这说明空间位置对隧道施工期围岩变形的空间效应产生一定的影响。各断面隧道围岩径向位移释放率随时间的变化规律如下：

ZH3+801：距掌子面距离0.53洞径时达到60%。

ZH3+750：距掌子面距离0.47洞径时达到60%。

ZH3+728：距掌子面距离0.58洞径时达到60%。

各断面拱顶位移释放率均在距开挖面0.9倍洞径时达到90%，拱顶变形趋于稳定，在距开挖面1.6倍洞径时达到100%，空间效应消失。

4.结论

（1）通过分析对特大断面隧道管幕段距洞口不同距离的三个断面隧道施工阶段拱顶变形时间效应，结果显示各断面拱顶下沉-时间曲线呈“厂”型，距离洞口越远的断面拱顶沉降量与下沉速率越小，管幕段监测的各断面的空间位置对隧道施工阶段围岩变形的时间效应产生一定影响。

（2）分析了特大断面管幕段隧道施工阶段拱顶与距掌子面的距离之间的关系，管幕段内各断面围岩变形与距掌子面的距离关系曲线呈“厂”型，各断面变形速率随掌子面的开挖推进呈现出跳跃式减少，管幕段监测各斷面的空间位置对隧道施工阶段围岩变形的空间效应产生一定影响。

（3）通过分析隧道围岩拱顶位移释放率与时间和距掌子面距离之间的关系，得出了空间位置对特大断面隧道管幕段施工期围岩变形时间效应和空间效应的影响规律，研究结论对于确定最佳支护时机和施工工序具有重要的价值。

参考文献

[1] 李志清，丁春林，李双美，等. 浅埋大断面黄土隧道围岩变形时空效应分析[J]. 华东交通大学学报， 2014， 31（4）： 6-10.

[2] 江勇涛，王明年，张艺腾，等. 隧道管幕支护施工地表沉降预测方法研究[J]. 现代隧道技术， 2020， 57（4）： 82-90， 135.

[3]史培新，俞蔡城，潘建立，等. 拱北隧道大直径曲线管幕顶管顶力研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2017， 36（9）： 2251-2259.

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