摘 要：文章以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為依托，通過在隧道洞內(nèi)和上覆土層中埋設(shè)監(jiān)測元器件開展現(xiàn)場監(jiān)測，對山嶺隧道淺埋段地表沉降和圍巖變形規(guī)律進行研究。監(jiān)測結(jié)果表明：掌子面開挖后，隧道縱向變形呈“S”型分布，地表沉降影響約為掌子面前方12 m；中臺階開挖后對掌子面變形影響最大，圍巖豎向變形明顯大于周邊收斂，這是由于淺埋隧道圍巖豎向壓力作用明顯大于水平壓力；隧道上覆地層變形最大處位于隧道上覆土層2.4～2.8 m，其縱向和橫向水平位移均出現(xiàn)先增后減的趨勢；下臺階開挖前是圍巖壓力釋放的主要階段，占最終值比例＞80%。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；淺埋隧道；現(xiàn)場試驗；變形監(jiān)測

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

隨著我國“交通強國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的提出，西部地區(qū)一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入推動了山嶺隧道理論研究和施工技術(shù)的發(fā)展［1-2］。山嶺隧道淺埋段開挖由于其圍巖應(yīng)力狀態(tài)和支護結(jié)構(gòu)收斂極其復(fù)雜，嚴重影響隧道施工安全性，隧道冒頂、坍塌、二襯開裂、地表大范圍沉降等施工風險概率增大［3-4］。因此，針對山嶺隧道淺埋段施工期圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)受力進行分析有重要意義。

眾多學者針對淺埋山嶺隧道開挖過程中圍巖變形規(guī)律、地表沉降特征等開展了現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗或數(shù)值模擬研究。陳進［5］通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)淺埋偏壓隧道在圍巖等級為Ⅳ級、Ⅴ級條件時，分別采用臺階法和預(yù)留核心土法開挖控制圍巖變形效果最好；廖磊毅［6］為解決某鐵路隧道淺埋段圍巖軟化并侵入初支的問題，提出了洞內(nèi)徑向注漿和地表注漿結(jié)合的方式控制地面沉降。苑敏等［7］采用現(xiàn)場全過程監(jiān)測試驗方法，發(fā)現(xiàn)淺埋山嶺隧道開挖后地表沉降呈“沉降槽分布”，鋼拱架前期應(yīng)變速率變化較大，且臺階拱架應(yīng)變均會重新分布；林錦騰等［8］以佳龍嶂隧道為依托，發(fā)現(xiàn)當淺埋隧道的埋深小于洞徑2倍時，不同觀測點處拱頂沉降受影響最大，圍巖變形分為3個階段，且變形急劇階段是防護隧道變形重要時期。

因此，對山嶺隧道淺埋段開挖進行襯砌結(jié)構(gòu)受力分析和圍巖變形規(guī)律研究有重要意義。本文以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為依托，分析了淺埋隧道開挖過程中地表、洞內(nèi)圍巖變形及圍巖壓力的變化規(guī)律，為今后山嶺隧道淺埋段施工和設(shè)計提供借鑒。

1 工程概述

以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為例，該隧道埋深15～250 m，其中K102+580～K130+250段圍巖等級以Ⅳ級、Ⅴ級為主，隧道左線長595 m，右線長670 m，開挖洞徑10.5 m，采用三臺階臨時橫撐法開挖（見圖1），開挖工序主要包括以下幾點：

（1）開挖上臺階1部，人工與機械組合開挖后立即初噴封閉掌子面，然后進行洞身襯砌支護（包括架設(shè)臨時拱架支撐）。

（2）待1部開挖支護達到設(shè)計要求后，拆除臨時鋼支撐2～4榀，開挖2部中臺階，保持上臺階與中臺階間距在6～10 m。

（3）待中臺階開挖完成，繼續(xù)掘進下臺階3部，下臺階分仰拱頂面以上和仰拱開挖，保持下臺階與上臺階距離≤15 m，待仰拱面以上開挖完成立即進行初支施工。

（4）仰拱開挖完成后，內(nèi)部澆筑混凝土，初支閉合成環(huán)。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件及周圍地形分布，選取3個典型斷面進行地層變形、圍巖變化及圍巖壓力分析。在隧道進口淺埋段布設(shè)地表沉降及地層變?yōu)橛^測點（見圖2），其現(xiàn)場布置內(nèi)容如下：

（1）地表下沉監(jiān)測在隧道淺埋段上方布置15個監(jiān)測點，測點橫向間距2～5 m，縱向間距10 m。地層變位采用3個沉降孔觀測，孔間距1 m。圍巖橫向變形采用2個水平位移斜側(cè)孔位移計觀測，測孔布置在拱腳上方0.5 m，距中軸線7.2 m處。

（2）隧道內(nèi)圍巖變形測點布置如圖3所示，在隧道拱頂、拱腰及中臺階處布置觀測反光片進行位移觀測。圍巖壓力監(jiān)測點布置在拱頂、左右拱腰、左右拱腳處。

2 地表沉降及地層變位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 地表沉降規(guī)律分析

為研究強風化白云質(zhì)灰?guī)r淺埋隧道開挖后地表沉降及隧道洞頂上部土體位移變化規(guī)律，布置3個斜側(cè)孔和2個沉降孔觀測，全面分析隧道開挖后洞內(nèi)外土體沉降規(guī)律。

2.1.1 隧道縱向變形地表下沉分析

圖4為地表沉降隨隧道開挖變形圖，從圖中可以看出3個監(jiān)測斷面地表沉降變形曲線基本趨于一致，呈“S型”分布。監(jiān)測點距離掌子面后方（掘進方向為前方）12 m以外時，地表沉降最大值為7.6 mm，趨于穩(wěn)定，這是由于初期支護基本施作完成，圍巖變形量較小。當監(jiān)測點處于-12～24 m時，地表沉降變形分為3個階段：監(jiān)測點處于-12～0 m時，地表沉降處于較快速增長階段，最大沉降值為13.2 mm；當監(jiān)測點處于0～12 m時，地表沉降處于快速增長階段，其沉降曲線呈一次線形增長，最大沉降速率達到7.9 mm/d，該測點位于掌子面前方6 m處；當監(jiān)測點處于12～24 m時，地表沉降處于緩慢增長階段，地表沉降速率迅速減小，地表累計最大沉降值為37.9 mm。因此，在隧道淺埋段開挖前需提前對掌子面上方地表0～12 m范圍進行地表注漿處理，隧道洞內(nèi)掌子面單次超前支護距離宜＞6 m，以控制地表沉降處于設(shè)計規(guī)范允許值內(nèi)。

2.1.2 隧道橫向地表沉降分析

選取監(jiān)測斷面3研究隧道橫斷面方向地表沉降規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨著掌子面開挖面積變大地表沉降值和沉降影響范圍也逐漸增大，三臺階臨時橫撐法開挖各臺階開挖地表沉降曲線基本呈對稱分布，沉降值最大點均處于掌子面中線處，橫向沉降曲線呈沉降槽分布。

當上臺階開挖時，靠近掌子面軸線左側(cè)沉降觀測點略大于右側(cè)，這是由于隧道上部覆蓋土體分布不均所致。當中臺階開挖時，掌子面軸線觀測點沉降值迅速增大，中臺階與上臺階沉降最大差值明顯大于下臺階與中臺階沉降差值。這是由于中臺階掌子面開挖方量明顯大于上下臺階，對圍巖擾動也最大，且中臺階開挖后初支支護時間最長，圍巖應(yīng)力釋放時間最長。當下臺階開挖時，地表沉降影響范圍顯著變大，位于掌子面軸線-9～9 m內(nèi)，地表沉降值處于16.3～31.2 mm。已經(jīng)接近或超過地表沉降允許最大值30 mm，需盡早進行鋼拱架支護，及時澆筑仰拱初支使掌子面盡早閉合成環(huán)。

2.1.3 隧道縱軸線地表及拱頂沉降分析

監(jiān)測斷面3拱頂上方地表沉降及拱頂沉降曲線如下頁圖6所示。隨著掌子面掘進，掌子面前方地表沉降值和拱頂沉降值曲線變化趨勢相似，先迅速增長后緩慢增大最終趨于穩(wěn)定，沉降最大值分別為37.7 mm和38.9 mm，超過了沉降允許值。這是由于受洞口前面段巖溶發(fā)育影響，9～15 m深度段溶蝕裂隙發(fā)育，巖芯呈破碎塊狀，圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育；掌子面開挖后使得前方0～12 m范圍內(nèi)土層下沉。掌子面后方0～10 m范圍內(nèi)地表和拱頂沉降隨距離掌子面越遠變形越小，這是由于初支限制了圍巖變形的能力。掌子面-6～6 m范圍內(nèi)拱頂和地表沉降變化最劇烈，掌子面開挖圍巖應(yīng)力狀態(tài)由二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖壓力短時間內(nèi)迅速釋放，使得拱頂位移迅速增大。在掌子面掘進過程中，拱頂沉降值始終大于地表沉降值，其主要原因是隧道上覆土層發(fā)生壓縮、膨脹等原因?qū)е隆?/p>

2.2 圍巖水平方向位移變化

2.2.1 縱軸線方向圍巖水平位移

為研究隧道開挖過程中隧道上方不同埋深位置縱軸線方向圍巖水平位移變化規(guī)律，選取斷面2兩側(cè)沉降孔監(jiān)測數(shù)據(jù)分析（見圖7）。位移正負值分別代表位移朝向隧道內(nèi)部和背離隧道內(nèi)部方向，超前5 m代表監(jiān)測點為掌子面超前加固距離為5 m處監(jiān)測點縱向位移變化，滯后2 m代表掌子面后方2 m處監(jiān)測點縱向位移變化。

由圖7可知，各土層水平位移隨監(jiān)測深度呈現(xiàn)出“先增后減”的趨勢，最大水平位移埋深2.8 m。測點埋深0～6 m時，由于監(jiān)測點處于塑性區(qū)內(nèi)，且受到圍巖壓力持續(xù)調(diào)整釋放影響，該深度范圍內(nèi)水平位移變化較大；測點埋深6～10 m時，隧道縱向水平位移迅速減小趨近于0，這表明該范圍測點處于彈塑性區(qū)，受開挖擾動影響較小。當測點深度為6 m時，超前15 m和超前10 m的縱向水平位移均迅速減小，因此采用三臺階臨時橫撐法開挖隧道縱向水平位移影響范圍處于10～15 m，可根據(jù)影響范圍調(diào)整超前加固距離。當監(jiān)測點位移掌子面后方2 m時，受拱頂沉降變形影響，測點周圍土體向隧道內(nèi)側(cè)移動，但其移動速率明顯小于掌子面前方測點是受初期支護阻礙所致。

2.2.2 橫截面方面圍巖水平位移

圖8為斷面2內(nèi)掌子面前方超前加固5 m、10 m、15 m和掌子面后方2 m處水平斜孔監(jiān)測的圍巖橫向水平位移變形曲線，正負值分別代表圍巖位移靠近隧道內(nèi)側(cè)或背離隧道內(nèi)側(cè)。

在測點深度為0～6 m時，同一斷面圍巖橫向水平位移較大，且最大值處于2.4～2.8 m，與縱向水平位移最大位置基本吻合，圍巖橫向最大水平位移22.1 mm。當測點深度為6～10 m時，超前10 m和15 m處測點橫向位移迅速減小，且橫向水平位移方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，超前5 m處橫向位移緩慢減小，這表明該開挖方法影響的橫向位移超前支護影響范圍約為10 m。

3 圍巖壓力特征

圖9為斷面3的圍巖-初支接觸壓力時間曲線圖。在斷面3的拱頂、拱腰及拱腳處共布置5個土壓力盒監(jiān)測。由圖9可知，初支-圍巖間接觸壓力增長可劃分為三個階段：下臺階開挖前的快速增長期，二襯施工前（9～18 d）的較快增長期，二襯施工后的緩慢增長期。圍巖壓力在中臺階開挖后，拱頂和拱腰迅速增大，拱頂此時最大壓力值為0.391 MPa，占平穩(wěn)最大值的82.3%。因此，在中臺階開挖階段要盡快施作拱部臨時支護，防止沉降速率過快。下臺階開挖后，左右拱腳處圍巖壓力快速增長，拱頂和拱腰處壓力由于圍巖初始應(yīng)力已大部分釋放，增長速率較快。在二襯施作后，左右拱腰先快速減小后緩慢增大，這是二襯施作時拱腰部位圍巖持續(xù)變形受阻，待二襯施作完畢，拱頂部圍巖壓力持續(xù)增大，且拱頂增長速率明顯大于拱腰，這表明對于淺埋隧道圍巖豎向應(yīng)力作用在拱頂處效果最明顯，左拱腰處圍巖壓力大于右拱腰是受地形偏壓作用影響。

4 隧道洞內(nèi)圍巖變形分析

隧道淺埋段洞內(nèi)圍巖變形監(jiān)測是研究圍巖變形規(guī)律的重要方法之一，選取隧道典型斷面1拱頂和拱腰及水平收斂測點進行觀測，其累計變形量和變形速率如圖10所示。

由圖10可知，圍巖變形可分為四個階段：中臺階開挖前的快速增長階段，上臺階開挖前的劇烈增長階段、二襯施作前的較快增長階段（9～18 d）以及二襯施作后的趨于穩(wěn)定階段。豎向最大變形速率和最大沉降值分別為4.21 mm/d和41.32 mm，水平收斂最大變形速率和收斂值分別為0.82 mm/d和11.41 mm，最大變形速率均處于中臺階開挖后。最大變形速率超過變形范圍，因此在中臺階開挖前應(yīng)調(diào)整支護方式，對拱部加強超前支護或調(diào)整拱架間距，控制圍巖變形在允許范圍內(nèi)。拱頂和拱腰處圍巖變形速率趨于一致，呈“M”型分布，在二襯施作

前變形速率基本保持不變，這表明采用三臺階臨時橫撐法開挖對淺埋隧道圍巖水平向變形影響較小，但對圍巖豎向變形作用尤為明顯。這是因為受隧道埋深影響，掌子面開挖后隧道成拱較為困難，且淺埋隧道自重應(yīng)力對圍巖變形影響明顯大于水平應(yīng)力。

5 結(jié)語

（1）掌子面掘進引起隧道縱軸向變形呈“S”型分布，其變形規(guī)律可分為穩(wěn)定變形階段、緩慢增長階段和快速增長階段。地表最大沉降值和沉降速率分別為37.9 mm和7.9 mm/d，需對洞內(nèi)掌子面和地表分別進行注漿加固，地表沉降影響范圍為掌子面前方12 m。

（2）隧道橫向沉降曲線呈沉降槽分布，受開挖方量和支護時間影響中臺階開挖后對地層變形影響最大。

（3）隧道上側(cè)土層縱向水平位移和橫向水平位移最大變形位置均處于2.4～2.8 m，且隨觀測深度增大，其位移值先增后減?？v向水平位移影響超前范圍10～15 m，橫向水平位移影響范圍約10 m。

（4）圍巖壓力基本呈對稱分布，下臺階開挖前為圍巖壓力釋放的主要階段，占最終值的81.2%。洞內(nèi)圍巖豎向變形明顯大于水平向變形，是受隧道埋深和豎向圍巖壓力共同作用所致。

（5）針對三臺階臨時橫撐法中臺階開挖后圍巖變形及地表沉降較大問題，可對掌子面地表前12 m范圍內(nèi)注漿，洞內(nèi)中臺階開挖后加強超前支護，將初期支護采用非對稱支護對拱部進行加固。

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