復(fù)雜空間關(guān)系大斷面多隧道建設(shè)沉降控制研究

黃偉明

（溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著城市人口急劇增加，汽車擁有量的急速增長(zhǎng)，許多城市建設(shè)用地已達(dá)到寸土寸金的情況，城市小凈距隧道、超小凈距隧道、平面、立體交叉隧道、城市地下立交也隨之出現(xiàn)[1-2]。復(fù)雜空間關(guān)系的多隧道建設(shè)勢(shì)在必行，斷面也在不斷加大，各隧道可能屬于相同行業(yè)，也可能屬于不同行業(yè)，且各行業(yè)要求不同，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與法規(guī)尚不健全，在技術(shù)與制度上均無完整的體系可循?；诖耍疚拿芮薪Y(jié)合溫州市寧波路二期工程—太平山隧道工程，通過對(duì)復(fù)雜空間關(guān)系大斷面多隧道建設(shè)沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，以期在確保工程安全與質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)縮短施工工期的目標(biāo)。此外，研究成果能為規(guī)劃部門和后續(xù)類似工程提供非常重要的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

太平山隧道工程地處溫州市鹿城區(qū)和甌海區(qū)，是穿越太平山山體連接溫瞿公路和雙嶼的城市主干道，隧道設(shè)計(jì)為采用雙向六車道+人非混合道，隧道左右洞均長(zhǎng)510 m，里程范圍東線K0+470～K0+980，設(shè)計(jì)標(biāo)高為：8.348～8.204 m；縱坡都采用0.48%、-0.48%。隧道建筑限界寬15.75 m（單洞）、機(jī)動(dòng)車隧道高5.0 m，人非混合道高3.5 m，車行橫洞建筑限界寬4.5 m，高5.0 m。隧道因受施工條件限制，暫定單向掘進(jìn)，共左、右洞兩個(gè)工作面，采用鉆爆法施工。

1.2 施工存在的風(fēng)險(xiǎn)

本隧道南北洞口居民密集，隧道穿越地表建筑物較多，甬臺(tái)溫高鐵與本隧道基本平行，金麗溫高鐵與在本隧道頂部橫穿，東面金麗溫高速公路與本隧道南洞口間隔100m左右，見圖1。本工程爆破施工難度大，施工干擾較多。

圖1 太平山隧道現(xiàn)場(chǎng)

2 監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)控量測(cè)目的

（1）通過監(jiān)控量測(cè)了解各施工階段地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，把握施工過程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，判斷圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)、襯砌可靠性。

（2）用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果彌補(bǔ)理論分析過程中存在的不足，并把監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，為修改施工方法、調(diào)整圍巖級(jí)別、變更支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。

（3）通過施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)，確定二次襯砌合理施作時(shí)間。

（4）通過監(jiān)控量測(cè)了解該工程條件下所表現(xiàn)、反映出來的一些地下工程規(guī)律和特點(diǎn)，為今后類似工程或該工法本身的發(fā)展提供借鑒、依據(jù)和指導(dǎo)作用。

2.2 監(jiān)控量測(cè)手段

根據(jù)Peck公式可知，最大沉降通常發(fā)生在隧道中軸線處[2]。由于金麗溫高鐵與在本隧道頂部橫穿，因此，本隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)立于隧道拱頂，見圖2。通過對(duì)上下隧道交叉位置沉降的監(jiān)測(cè)，可以通過下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)值近似判斷下部隧道開挖對(duì)上部金麗溫高鐵隧道的沉降影響。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

上下隧道交叉位置沉降采用全站儀監(jiān)測(cè)，見圖3。拱頂沉降測(cè)量精度可達(dá)0.5～1 mm，凈空變化在位移量比較小的情況下，一般為0.1 mm，在變位比較大的情況下為1 mm。

圖3 監(jiān)測(cè)儀器（全站儀）

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)讀三次，取其平均值。并詳細(xì)記錄。

3 結(jié)果與討論

3.1 拱頂沉降分析

圖4給出了本次監(jiān)測(cè)隧道拱頂左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下沉速率。隧道在鉆爆法進(jìn)行施工過程中，開挖面會(huì)釋放應(yīng)力附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致地面出現(xiàn)彈塑變形等問題，也就是引發(fā)拱頂沉降問題。開挖沉降速度極快，開挖當(dāng)天左側(cè)拱頂測(cè)點(diǎn)的最大下沉速度為5.2 mm/d，右側(cè)的相應(yīng)下沉速度為4.0 mm/d。隨著時(shí)間的推移，開挖面土體應(yīng)力得到釋放并重新分布固結(jié)穩(wěn)定，拱頂下沉速度在這一過程中快速減緩，距離開挖10 d左右，拱頂?shù)南鲁了俣葞缀鯙榱?，即：拱頂近乎停止下沉。然而，根?jù)固結(jié)沉降理論可知[3]，拱頂并非完全停止沉降，而是進(jìn)入了次固結(jié)沉降階段。次固結(jié)沉降是一個(gè)長(zhǎng)期控制的過程，特別是在隧道運(yùn)營(yíng)期間，需要考慮沉降的動(dòng)態(tài)變化。

圖4 拱頂下沉速度

根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)，沉降值（U）隨時(shí)間（t）發(fā)展的時(shí)態(tài)函數(shù)可通過用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、雙曲函數(shù)等進(jìn)行擬合分析?；诖?，圖5給出了相應(yīng)的擬合結(jié)果。

由圖5的擬合結(jié)果可知，基于實(shí)測(cè)沉降值，雙曲函數(shù)的擬合值偏差最大；對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果較為靠近實(shí)測(cè)值，兩種函數(shù)的擬合優(yōu)度分別為88%和93%。因此，本文選取指數(shù)函數(shù)作為拱頂沉降的最優(yōu)擬合函數(shù)，拱頂左右兩側(cè)的沉降擬合函數(shù)分別為：

基于擬合函數(shù)可以推算出拱頂沉降的最終收斂值Umax約為13.7 mm。距離開挖第8天以后，圍巖下沉達(dá)11.81 mm，下沉率達(dá)86.2%，下沉速度為0.06 mm/d，滿足《客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》（鐵建設(shè)[2006]158號(hào)）提出的要求，即：下沉率達(dá)大于80%且下沉速度小于0.1 mm/d。故可推測(cè)本隧道與金麗溫高鐵交叉段圍巖在鉆爆法施工8 d以后基本穩(wěn)定。此外，《客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》（鐵建設(shè)[2006]158號(hào)）指出預(yù)測(cè)的隧道基礎(chǔ)工后沉降值不應(yīng)大于15 mm，而本文基于擬合函數(shù)得到拱頂沉降的最終收斂值約為13.7 mm，同樣滿足該要求。

金麗溫高鐵隧道與本隧道頂部橫穿，兩隧道交叉面處的垂直距離約為50 m，而本隧道在該處拱頂沉降的最終收斂值為13.7 mm。因此，可以進(jìn)一步推定金麗溫高鐵隧道相應(yīng)位置的沉降遠(yuǎn)小于13.7 mm，故而可以認(rèn)定下部隧道施工對(duì)上部既有隧道的沉降影響微乎其微。

圖5 沉降擬合

3.2 沉降控制措施

為減少下部隧道開挖及襯砌施工過程中產(chǎn)生的沉降，保護(hù)上部既有隧道的安全，在施工過程中還可以采取以下措施：

（1）在上部導(dǎo)洞開挖之前，對(duì)開挖面前部土體進(jìn)行小導(dǎo)管超前預(yù)注漿，使土層密實(shí)膠結(jié)，改良地層，嚴(yán)格執(zhí)行先固后挖的原則[4]。

（2）對(duì)拱頂土體進(jìn)行深孔注漿，增加土體的強(qiáng)度，并加速拆除臨時(shí)支撐后的作業(yè)時(shí)間，盡早使襯砌封閉成環(huán)，以拱頂和地表下沉[5]。

（3）加強(qiáng)施工過程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，堅(jiān)持信息化施工，及時(shí)反饋施工效果，調(diào)整技術(shù)措施，控制地層的變形發(fā)展[3]。

4 結(jié)語

通過對(duì)太平山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工中拱頂沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論:

（1）太平山隧道拱頂下沉速度隨著施工時(shí)間的持續(xù)快速減緩，施工當(dāng)天左側(cè)拱頂測(cè)點(diǎn)的最大下沉速度為5.2 mm/d，右側(cè)的相應(yīng)下沉速度為4.0 mm/d，距離開挖10 d左右，拱頂?shù)南鲁了俣葞缀鯙榱恪?/p>

（2）太平山隧道拱頂沉降規(guī)律最適合用指數(shù)函數(shù)表示，擬合結(jié)果顯示拱頂沉降的最終收斂值約為13.7 mm。太平山隧道的施工對(duì)上部既有金麗溫高鐵隧道幾乎不產(chǎn)生沉降影響。

（3）可以通過在對(duì)隧道拱頂土體進(jìn)行深孔注漿增加上部土體強(qiáng)度以及縮短拆除臨時(shí)支撐后的作業(yè)時(shí)間等措施，控制地表的沉降變形。