孫玉偉

摘要： 隨著我國城市特殊地區(qū)特大斷面隧道管幕施工建設(shè)數(shù)量增多，急需針對特大斷面隧道管幕段在施工階段圍巖的時(shí)空變形規(guī)律來進(jìn)行總結(jié)。以福州工業(yè)北路延伸線工程文林山隧道為例，結(jié)合其變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)資料，分析了“三臺(tái)階七步法”開挖下特大斷面的隧道管幕段在施工期間圍巖時(shí)空變形的規(guī)律，確定了圍巖變形-時(shí)間特征曲線及圍巖變形-距掌子面的距離關(guān)系曲線類型;分析圍巖拱頂位移的釋放率與時(shí)間和距掌子面之間的距離關(guān)系，研究了空間位置對特大斷面隧道管幕段施工階段圍巖產(chǎn)生變形的時(shí)空效應(yīng)影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：圍巖變形-時(shí)間特征曲線類型為“廠”型。圍巖的變形與監(jiān)測到距掌子面之間距離的關(guān)系曲線類型也為“廠”型，當(dāng)一個(gè)監(jiān)測斷面到掌子面距離超過1.6倍的洞徑時(shí)，圍巖的變形就會(huì)趨于穩(wěn)定，空間效應(yīng)趨于消失。最后，得到了隧道管幕段圍巖拱頂位移的釋放率和距掌子面之間的距離變化規(guī)律，研究所得結(jié)論在特大斷面隧道管幕段圍巖長期安全穩(wěn)定性研究中十分具有借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：管幕施工;特大斷面隧道;時(shí)空效應(yīng);位移釋放率。

0.引言

在這些巖石地層中進(jìn)行隧道開挖，隧道中圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力和變形并不是瞬間能釋放完成的，而是伴隨著時(shí)間的推移逐漸擴(kuò)展增大并且趨于穩(wěn)定平衡的，這被稱作隧道施工的時(shí)空效應(yīng)。

國內(nèi)外學(xué)者針對隧道建設(shè)施工中圍巖變形產(chǎn)生的時(shí)空效應(yīng)有了很多研究。李志清通過現(xiàn)場測試分析了三臺(tái)階七步法施工條件下的淺埋大斷面黃土隧道的圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)。

當(dāng)前研究對各開挖斷面下的隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了諸多有益的研究，但對于特大斷面隧道管幕段的圍巖變形時(shí)空效應(yīng)的研究甚少。管幕法作為一種新型的隧道超前支護(hù)施工方法，可有效控制地表沉降，在城市建筑密集、交通繁忙路段和淺埋大斷面的地下工程中得到廣泛應(yīng)用。研究隧道管幕段的圍巖變形時(shí)空效應(yīng)對于指導(dǎo)同類隧道工程設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。

本文主要是通過現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析特大斷面隧道管幕段在建設(shè)中采用的三臺(tái)階七步法施工方法中圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)，并且從圍巖位移釋放率的視角分析了空間位置對圍巖變形時(shí)空效應(yīng)的影響，為特大斷面隧道管幕段的圍巖長期穩(wěn)定性研究提供了參考。

1.工程概況

福州工業(yè)北路延伸線工程文林山隧道下穿文林山、后縣山，隧道段包括車行左、右線與慢行線，隧道出口屬于超淺埋段，結(jié)合該段的地質(zhì)條件采用?299 mm × 10 mm管幕作為超前支護(hù)。

該隧道所在地區(qū)地形的起伏很大，最大埋深約112米，洞口段最小埋深1.2米。設(shè)計(jì)的凈跨度是19.38米，凈高度是12.93米，開挖斷面積約215.24m2，屬于特大斷面隧道。文林山隧道出口全貌如圖1所示。

2.現(xiàn)場實(shí)測內(nèi)容及方法

該隧道開挖采用三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工，以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土為的方式， 分為上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)面開挖，各面的開挖支護(hù)都是沿隧道縱向錯(cuò)開、平行推進(jìn)的。三臺(tái)階七步開挖法分以下三個(gè)步驟：上臺(tái)階的弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖預(yù)留核心土， 施作拱部初期支護(hù);中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖，施作墻部初期支護(hù);中心預(yù)留核心土開挖、隧底開挖，施作隧底初期支護(hù)。每步開挖后必須及時(shí)支護(hù)，隧底初期支護(hù)后要及時(shí)施作仰拱，早封閉成環(huán)。三臺(tái)階七步法開挖的透視圖及現(xiàn)場施工實(shí)際施工情況圖如圖2和圖3所示。采用精密水準(zhǔn)儀和鋼掛尺量測隧道拱頂沉降。基點(diǎn)埋設(shè)在受施工擾動(dòng)的范圍以外的結(jié)構(gòu)物上。

3.現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及分析

隧道洞內(nèi)變形監(jiān)測斷面數(shù)量較多，受篇幅限制，對監(jiān)測斷面不一一列舉加以分析，在斷面的選擇上，選擇管幕段內(nèi)3處較典型的監(jiān)測斷面的拱頂沉降的時(shí)間和空間關(guān)系進(jìn)行分析，選取斷面位置及地質(zhì)情況見圖4。

3.1.圍巖變形時(shí)間效應(yīng)分析

隧道圍巖拱頂下沉和拱頂下沉速率隨時(shí)間變化曲線如圖5、圖6所示。

由上圖分析可知：

（1）隧道拱頂隨著時(shí)間推移逐漸增大，呈現(xiàn)“快速增長-緩慢增長-基本穩(wěn)定”的趨勢，拱頂下沉-時(shí)間曲線呈“廠”型，曲線在28天后趨于平穩(wěn)，快速增長階段持續(xù)7～14天，即隨著開挖面的向前推進(jìn)，隧道圍巖變形開始趨于穩(wěn)定，在此階段之后，隧道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，增長速率約為0.2～0.3mm/d，最終達(dá)到穩(wěn)定，這一階段持續(xù)時(shí)間一般約14天，這是由于圍巖內(nèi)應(yīng)力在仰拱封閉后發(fā)生了變化。

（2）對比三個(gè)監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，管幕段開挖過程中拱頂沉降量與下沉速率均呈現(xiàn)出與距洞口距離呈負(fù)相關(guān)的性質(zhì)。

為了進(jìn)一步的研究隧道施工階段圍巖時(shí)間效應(yīng)，計(jì)算出不同的時(shí)間隧道圍巖徑向位移的釋放率（見表1），隧道拱頂位移釋放率—時(shí)間曲線，如圖7所示

由圖7可以看出，監(jiān)測的三個(gè)斷面圍巖拱頂位移釋放率與時(shí)間的關(guān)系有所差異，說明空間位置對隧道施工階段圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)有很大影響。各斷面隧道圍巖徑向位移釋放率隨時(shí)間的變化規(guī)律如下：

ZH3+801：該斷面距洞口15米（小于一倍洞徑），開挖7天的位移釋放率在各斷面中最小，僅30%左右，在21天后達(dá)到90%。

ZH3+750：該斷面距洞口66米（約3倍洞徑），開挖七天位移釋放率接近40%，18天達(dá)90%。

ZH3+728：該斷面位移距離洞口88米，位于有管幕段支護(hù)地層與天然地層過渡地段，該斷面開挖七天位移釋放率已超過50%，22天達(dá)90%。

3.2.圍巖變形空間效應(yīng)分析

圍巖拱頂下沉和拱頂下沉速率與距掌子面的距離D的關(guān)系曲線分別如圖8、圖9所示。

由圖8、9可以看出，管幕段內(nèi)各個(gè)斷面范圍圍巖的變形與距掌子面的距離關(guān)系曲線呈“廠”型。隨掌子面開挖的推進(jìn)，各個(gè)斷面的圍巖變形逐漸增大，其變形速率也呈現(xiàn)出跳躍式減少，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)監(jiān)測斷面距掌子面的距離為1.2～1.5倍洞徑時(shí)，拱頂?shù)某两蹈于呌诜€(wěn)定。

為了進(jìn)一步深入研究隧道施工階段圍巖空間效應(yīng)，計(jì)算在不同距掌子面距離的條件下圍巖徑向位移釋放，隧道拱頂位移釋放率與距掌子面的距離關(guān)系曲線如圖10所示

由圖10可以看出，三個(gè)斷面隧道圍巖拱頂位移釋放率與距掌子面距離的關(guān)系存在差異，這說明空間位置對隧道施工期圍巖變形的空間效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。各斷面隧道圍巖徑向位移釋放率隨時(shí)間的變化規(guī)律如下：

ZH3+801：距掌子面距離0.53洞徑時(shí)達(dá)到60%。

ZH3+750：距掌子面距離0.47洞徑時(shí)達(dá)到60%。

ZH3+728：距掌子面距離0.58洞徑時(shí)達(dá)到60%。

各斷面拱頂位移釋放率均在距開挖面0.9倍洞徑時(shí)達(dá)到90%，拱頂變形趨于穩(wěn)定，在距開挖面1.6倍洞徑時(shí)達(dá)到100%，空間效應(yīng)消失。

4.結(jié)論

（1）通過分析對特大斷面隧道管幕段距洞口不同距離的三個(gè)斷面隧道施工階段拱頂變形時(shí)間效應(yīng)，結(jié)果顯示各斷面拱頂下沉-時(shí)間曲線呈“廠”型，距離洞口越遠(yuǎn)的斷面拱頂沉降量與下沉速率越小，管幕段監(jiān)測的各斷面的空間位置對隧道施工階段圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生一定影響。

（2）分析了特大斷面管幕段隧道施工階段拱頂與距掌子面的距離之間的關(guān)系，管幕段內(nèi)各斷面圍巖變形與距掌子面的距離關(guān)系曲線呈“廠”型，各斷面變形速率隨掌子面的開挖推進(jìn)呈現(xiàn)出跳躍式減少，管幕段監(jiān)測各斷面的空間位置對隧道施工階段圍巖變形的空間效應(yīng)產(chǎn)生一定影響。

（3）通過分析隧道圍巖拱頂位移釋放率與時(shí)間和距掌子面距離之間的關(guān)系，得出了空間位置對特大斷面隧道管幕段施工期圍巖變形時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)的影響規(guī)律，研究結(jié)論對于確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)和施工工序具有重要的價(jià)值。

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