何 軍 李夢(mèng)瑤 申小軍 王樹(shù)民 王華東

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710000； 3.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100020)

1 概述

隨著隧道建設(shè)數(shù)量和規(guī)模的不斷加大，新建公路隧道穿越既有公路隧道的空間立體交叉式施工案例隨之出現(xiàn)[1,2]。由于立體交叉隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與圍巖間的接觸應(yīng)力受多種因素的影響，變化規(guī)律復(fù)雜，且新建隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖造成多次擾動(dòng)，常會(huì)引發(fā)冒頂、塌陷等安全事故的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了深入研究[3-5]，許慶君等[6]在單向El地震波作用下對(duì)正交型立體交叉隧道中上跨和下穿隧道環(huán)向及軸向應(yīng)變峰值進(jìn)行了分析研究；陳濤[7]結(jié)合深圳地鐵8號(hào)線(xiàn)工程,研究小間距地鐵隧道上穿施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，得出新建隧道附加應(yīng)力沿既有隧道軸線(xiàn)方向近似服從高斯分布；白延紅等[8]以西安高新區(qū)創(chuàng)業(yè)新大陸地下通道工程為背景，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析,研究穿越地鐵段既有支護(hù)加固體系的可行性；許有俊等[9]推導(dǎo)了新建地鐵上穿施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)的卸荷附加應(yīng)力系數(shù)解析解,利用Maple軟件對(duì)關(guān)鍵卸荷參數(shù)與附加應(yīng)力系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究；張曉光等[10]基于ABAQUS有限元軟件建立了隧道下穿地鐵線(xiàn)路的三維模型,認(rèn)為設(shè)置合理的掌子面支護(hù)力以及注漿壓力是保證施工開(kāi)挖以及既有線(xiàn)路安全的關(guān)鍵。

本項(xiàng)目選取伏牛山特長(zhǎng)公路隧道1號(hào)斜井1號(hào)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道上跨主洞右線(xiàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，從時(shí)間演化和空間分布兩方面對(duì)小凈距立體交叉隧道施工圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期為今后類(lèi)似工程施工與設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程背景

2.1 伏牛山隧道1號(hào)斜井概況

伏牛山隧道1號(hào)斜井，全長(zhǎng)1 150 m，凈寬8.8 m，凈高7.5 m。共設(shè)聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)道3處，其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道如圖1所示，起始點(diǎn)位于1號(hào)斜井XJ1K0+110.0處，水平上跨主隧道右洞于K84+838.0里程，與主隧道左洞連接設(shè)立排風(fēng)交叉口，交叉口樁號(hào)ZK84+888.0。1號(hào)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道跨越主隧道右線(xiàn)上跨段施工分兩階段進(jìn)行，首先進(jìn)行爬坡段施工，后轉(zhuǎn)至水平段上跨，其中爬坡段底板距主隧道右線(xiàn)最近距離僅約2 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)JTG F60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范、JTG/T D70—2010公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則中關(guān)于監(jiān)控量測(cè)實(shí)施的要求，結(jié)合伏牛山特長(zhǎng)公路隧道采用的復(fù)合式襯砌施工情況，本監(jiān)測(cè)采用必測(cè)項(xiàng)目(洞內(nèi)外觀(guān)察、拱頂及周邊收斂監(jiān)測(cè))+選測(cè)項(xiàng)目(圍巖應(yīng)力觀(guān)測(cè)、支護(hù)應(yīng)力觀(guān)測(cè))監(jiān)測(cè)相結(jié)合的形式。

3.2 監(jiān)測(cè)元器件及原理

3.2.1監(jiān)測(cè)儀器選擇

考慮到伏牛山特長(zhǎng)公路隧道施工工序緊湊，大型機(jī)械設(shè)備往返頻繁以及洞內(nèi)陰暗潮濕的環(huán)境特點(diǎn)，選用的監(jiān)測(cè)元件應(yīng)滿(mǎn)足輸出信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力好的特點(diǎn)，可以在惡劣環(huán)境中進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，經(jīng)綜合比較分析，決定選用Lecia全站儀、JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)、振弦式土壓力盒、振弦式應(yīng)變計(jì)分別對(duì)隧道位移情況、圍巖壓力及初期支護(hù)混凝土應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，儀器參數(shù)及用途如表1所示。

3.2.2振弦式傳感器原理

鋼弦自振頻率與張緊力的大小有關(guān)，在振弦?guī)缀纬叽绱_定后，振弦振動(dòng)頻率的變化量，即可表征受力的大小，其通用計(jì)算公式如下:

(1)

表1 監(jiān)控量測(cè)儀器型號(hào)及參數(shù)

3.3 布設(shè)方法

選擇伏牛山隧道1號(hào)斜井1號(hào)風(fēng)道上跨右洞段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布設(shè)3個(gè)斷面，如圖2所示，斷面間隔5 m，各斷面拱頂、左右拱腰、左右邊墻位置分別布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

第一步，鉆爆開(kāi)挖掌子面至相應(yīng)里程后，進(jìn)行拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，分別于拱頂、左右拱腰、邊墻位置鉆孔，在孔內(nèi)埋設(shè)膨脹彎鉤，其中拱頂彎鉤一側(cè)粘貼帶有中心十字的反光貼片；

第二步，在初支拱架布設(shè)完畢后埋設(shè)土壓力盒。為使土壓力盒表面與基巖新鮮面保持垂直接觸，將傳感器放入塑封袋中，穿孔導(dǎo)出電纜線(xiàn)后，填充細(xì)砂料，填充過(guò)程中不斷用手拍打沙袋使沙袋密實(shí)且使土壓力傳感器置于中間位置，其上下面與細(xì)砂接觸良好。用透明膠帶包裹加固裝有土壓力盒的沙袋后，利用兩根12號(hào)鐵絲繞過(guò)拱架把土壓力盒緊固，記錄各部位土壓力盒編號(hào)并沿結(jié)構(gòu)體引出電纜測(cè)線(xiàn)；

第三步，埋設(shè)應(yīng)變計(jì)。在預(yù)埋設(shè)位置鋼拱架內(nèi)、外緣表面噴撒鋼筋除銹劑并用砂紙打磨光滑，在埋入式應(yīng)變計(jì)兩端加裝焊接固定臺(tái)座、加裝薄皮鐵盒保護(hù)罩后，通過(guò)焊槍將埋入式應(yīng)變計(jì)兩端固定臺(tái)座焊接在設(shè)計(jì)位置，記錄內(nèi)外應(yīng)變計(jì)的編號(hào)，沿結(jié)構(gòu)體引出電纜測(cè)線(xiàn)；

第四步，土壓力盒、埋入式應(yīng)變計(jì)在混凝土噴射覆蓋24 h后，被測(cè)結(jié)構(gòu)物無(wú)外界因素影響下，讀取數(shù)據(jù)，每個(gè)部位應(yīng)讀取5組數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)波動(dòng)在2 Hz以?xún)?nèi)，則取其平均值作為安裝初始值記錄。拱頂及周邊收斂在初始布設(shè)后分別采用Lecia全站儀及數(shù)顯式收斂計(jì)進(jìn)行測(cè)讀，記錄其初始值，采用相對(duì)沉降/收斂的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖3)。

3.4 監(jiān)測(cè)頻率

在隧道監(jiān)控量測(cè)中，監(jiān)測(cè)頻率要滿(mǎn)足工程監(jiān)測(cè)工作實(shí)際需要，根據(jù)不同的管理等級(jí)而不同。當(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的累計(jì)變化值接近或超過(guò)報(bào)警值時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)；根據(jù)JTG F60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定，伏牛山1號(hào)斜井立體交叉洞室的監(jiān)測(cè)頻率如表2所示。

表2 各監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目觀(guān)測(cè)頻率

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

伏牛山隧道1號(hào)斜井1號(hào)排風(fēng)口施工受坡度影響，為方便施工期間的通電、排水采用倒序施工法，分兩階段完成，首先從已開(kāi)挖完畢的主隧道左洞ZK84+888里程右邊墻擴(kuò)挖排風(fēng)口后斜向上爬坡至與主隧道右線(xiàn)拱頂左上方時(shí)，隨后轉(zhuǎn)換水平段施工，上跨通過(guò)既有主隧道右線(xiàn)。本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目于2020年3月15日主隧道右線(xiàn)K84+837里程開(kāi)挖完成后，進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)元件安裝。原計(jì)劃1個(gè)月后進(jìn)行上跨段施工，后因工序調(diào)整，爬坡段實(shí)際施工日期為2020年6月13日～2020年6月28日，水平段上跨施工時(shí)間段為2020年6月28日～2020年7月3日。受篇幅限制，僅介紹最具代表性的K84+837斷面(監(jiān)測(cè)斷面2)位移、圍巖壓力及混凝土應(yīng)變特征。

4.1 位移分析

拱頂及周邊收斂位移情況如圖4所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始埋設(shè)階段，受地應(yīng)力重分布調(diào)整的影響，位移變化速率較大，在斷面2開(kāi)挖后1 d～10 d內(nèi)拱頂位移處于急劇沉降階段。10 d～15 d時(shí)圍巖位移速率逐漸緩和，20 d左右時(shí)已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著上跨段開(kāi)挖，拱頂先產(chǎn)生較小沉降，沉降值為1.2 mm，后拱頂位移急劇上升，單日最大上升可達(dá)1.6 mm，隨著上跨段施工結(jié)束，相對(duì)上跨段開(kāi)挖前的穩(wěn)定狀態(tài)變化值為-3.6 mm。

拱腰及邊墻水平收斂位移在斷面2開(kāi)挖后1 d～15 d內(nèi)變化較快，15 d～20 d內(nèi)速率減緩，20 d后拱腰、邊墻水平位移基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著爬坡段的開(kāi)挖，邊墻水平位移穩(wěn)定狀態(tài)最先破壞，產(chǎn)生背離洞徑方向的位移，位移值大小為-0.7 mm。隨著爬坡高度的升高，拱腰隨之產(chǎn)生背離洞徑方向的急劇位移，當(dāng)掌子面轉(zhuǎn)至水平段施工后，位移速率減緩，期間累計(jì)位移-6.2 mm。究其原因可能是監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)爬坡段的開(kāi)挖產(chǎn)生新的臨空面，移除了原有的圍巖限制，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，斷面2左側(cè)壁圍巖受偏壓作用的影響，產(chǎn)生背離隧道洞徑方向的位移，且左拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爬坡段底板直線(xiàn)距離最近僅2.1 m，故其位移受1號(hào)風(fēng)道上跨段開(kāi)挖影響最為顯著。

4.2 圍巖壓力分析

4.2.1圍巖荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律

伏牛山隧道右線(xiàn)監(jiān)測(cè)斷面2各部位圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，分析可知斷面開(kāi)挖完畢后，圍巖壓力逐漸上升，15 d～20 d時(shí)，斷面各部位圍巖壓力已基本穩(wěn)定。2020年6月13日爬坡段動(dòng)工，除左邊墻圍巖壓力明顯增大外，其余各部位幾乎不受影響。至6月20日爬坡段施工至中部位置，各部位圍巖壓力發(fā)生顯著變化，其中左拱腰圍巖壓力急劇增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率最大值可達(dá)0.04 MPa/d，截至7月3日上跨施工完成左拱腰圍巖壓力累計(jì)增長(zhǎng)0.27 MPa，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)斷面左拱腰附近發(fā)生初支混凝土剝落及部分鋼拱架變形現(xiàn)象，初步分析原因?yàn)殚_(kāi)挖掌子面與左拱腰距離過(guò)近，且鉆爆開(kāi)挖裝藥量控制不足引發(fā)強(qiáng)震，造成初期支護(hù)受損，從圍巖穩(wěn)定性角度分析尚處于可控的穩(wěn)定狀態(tài)。上跨段施工過(guò)程中，拱頂圍巖壓力增長(zhǎng)呈現(xiàn)先慢后快的特點(diǎn)，當(dāng)上跨至監(jiān)測(cè)斷面拱頂正上方時(shí)，拱頂圍巖壓力達(dá)到峰值0.35 MPa；右拱腰圍巖壓力呈現(xiàn)較小的特點(diǎn)，上跨段開(kāi)挖期間減小值為0.15 MPa，分析原因可能是隧道受偏壓效應(yīng)影響，斷面左側(cè)受壓右側(cè)受拉，這與隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果相印證。上跨段開(kāi)挖完成后，圍巖壓力在5 d左右快速恢復(fù)穩(wěn)定。

4.2.2圍巖荷載在空間上的分布規(guī)律

為直觀(guān)的研究圍巖壓力在監(jiān)測(cè)斷面的分布規(guī)律，從空間角度出發(fā)，繪制了如圖6所示的圍巖壓力空間二維分布圖，可以看出上跨段開(kāi)挖前，斷面整體受壓，圍巖應(yīng)力沿拱頂中線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)分布，圍巖壓力大小拱頂>拱腰>邊墻。上跨段開(kāi)挖圍巖發(fā)生二次擾動(dòng)，應(yīng)力重分布，穩(wěn)定后監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力分布呈現(xiàn)拱頂中線(xiàn)左側(cè)遠(yuǎn)大于右側(cè)的偏心受壓的特征，圍巖荷載大小排序變?yōu)樽蠊把?拱頂>左邊墻>右邊墻>右拱腰，尚未產(chǎn)生拉應(yīng)力，隧道圍巖仍處于可控的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 初期支護(hù)—混凝土應(yīng)變分析

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面2所埋設(shè)的應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到初期支護(hù)混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖7所示，可以看出監(jiān)測(cè)元件初始埋設(shè)階段，混凝土應(yīng)變上升迅速，直至監(jiān)測(cè)20 d左右時(shí)，混凝土應(yīng)變趨于穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為壓應(yīng)變，應(yīng)變值介于112.3 με～173.8 με，同圍巖壓力分布情況相同，呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的特征。隨著交叉段上跨開(kāi)挖，拱頂、左拱腰、左邊墻混凝土應(yīng)變發(fā)生顯著增加，其中左拱腰位置混凝土應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率最快，2020年6月22日增長(zhǎng)至212.3 με，后因鉆爆開(kāi)挖引發(fā)強(qiáng)震，左拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)位破壞。右拱腰及邊墻位置混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)迅速減小，且減小速率右拱腰大于右邊墻，開(kāi)挖期間右拱腰混凝土應(yīng)變變化量-97.5 με。上跨段開(kāi)挖完成后，斷面混凝土應(yīng)變值在40 με～226 με以?xún)?nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)伏牛山隧道1號(hào)斜井1號(hào)風(fēng)道上跨主隧道右線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：1)初次開(kāi)挖后，監(jiān)測(cè)斷面隧道位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)迅速，至20 d時(shí)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。上跨段開(kāi)挖后，地應(yīng)力發(fā)生二次重分布，既有隧道拱頂上浮，拱腰、邊墻產(chǎn)生背離洞徑方向的擴(kuò)張，上跨段通過(guò)后5 d各點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即處于穩(wěn)定狀態(tài)。2)上跨段的開(kāi)挖使得圍巖壓力由原有的沿隧道拱頂中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，轉(zhuǎn)變?yōu)樽髠?cè)遠(yuǎn)大于右側(cè)的偏壓分布，且左拱腰位置出現(xiàn)混凝土剝落及拱架變形現(xiàn)象，后續(xù)有類(lèi)似工程施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆爆開(kāi)挖單次裝藥量，采取多臺(tái)階弱爆破施工方法，且在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取偏壓加固。3)混凝土應(yīng)變趨勢(shì)同圍巖壓力變化趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)左增右減的特點(diǎn)，左拱腰位置急劇增加至監(jiān)測(cè)儀器損壞，上跨期間右拱腰混凝土應(yīng)變變化量-97.5 με，交叉段開(kāi)挖完成，斷面混凝土應(yīng)變值在40 με～226 με以?xún)?nèi)。4)既有隧道施作二次襯砌的最佳時(shí)間為交叉段上跨開(kāi)挖完成5 d后，此時(shí)隧道圍巖位移、壓力、初支混凝土應(yīng)變已處于穩(wěn)定狀態(tài)。