软土地层大断面矩形隧道结构施工力学行为监测与分析

软土地层大断面矩形隧道结构施工力学行为监测与分析 软土地层大断面矩形隧道结构施工力学行为监测与分析

赵 辉

（中铁四局集团城市轨道交通工程分公司，安徽合肥 230023）

摘要：为确保软土地层大断面矩形下穿隧道施工时的安全，以昆明轨道交通3号线区间浅埋暗挖隧道为依托，采用中导洞法，将全断面分成6个导洞按照先中间后两侧、先上面后下面的顺序施工，并采用现场监测和理论分析的方法对隧道支护结构受力进行全过程监控与分析。监测分析结果表明：在矩形隧道顶部与侧面设置超长大管棚条件下，隧道初期支护内力变化较小，因受不同导洞开挖扰动影响，隧道结构底部出现受拉现象，导洞②（中下导洞）、导洞④（左下导洞）和导洞⑤（右上导洞）对整体结构安全起决定性作用，需要重点监控；最大围岩接触应力出现在导洞④（左下导洞）底部，隧道4个角的围岩应力明显大于其他部位，需要加强隧道底部基础注浆，以提高地基承载力；临时支护应力受不同导洞开挖影响出现明显的波动，很好地反映各导洞施工过程中围岩应力释放的特征。

关键词：软土地层；大断面矩形隧道；中导洞法；施工力学；监控量测

0 引言

近年来随着城市轨道交通基础设施的快速建设，新建交通线路与既有道路或构筑物经常出现正交或斜交的情况，且大部分新建工程以下穿通道的形式穿越既有道路或构筑物［1－3］。在城市地下通道近接施工中，存在技术难度大、地表沉降控制难、施工风险系数高等特点［4－5］。若隧道施工过程中出现辅助措施不当、结构变形过大以及突发地质灾害等现象，易引起路面大面积沉降甚至坍塌的灾害，造成交通中断和重大经济损失［6－8］。近距离下穿既有道路施工经常采用浅埋暗挖法，在地下工程开挖与支护过程中，要特别注意围岩应力释放、支护变形和地表沉降的控制，还需要采取合理有效的施工技术方案，这样才能确保隧道施工的安全［9－11］。

众多学者对下穿既有道路的隧道施工力学特性及其变形控制技术进行了研究。岳岭［12］结合铁路隧道下穿既有包西铁路工程，分析了2种超前支护措施下隧道开挖过程中影响范围、拱顶下沉、地面沉降变化规律，确定最优施工工序及超前支护方案；崔天麟［13］通过分析广州地铁林和村段暗挖区间工程施工现场监控量测数据，获得超浅埋暗挖隧道的围岩径向压力及结构内力的分布规律；刘招伟等［14］介绍京珠高速公路某双连拱隧道施工过程中变形的现场监测结果，提出控制隧道结构变形的工程措施；戴培义等［15］研究小角度下穿高速公路错幅路基背阴坡隧道的监测控制方法，掌握隧道围岩、路面、路基挡墙的沉降、位移变化规律，并优化了施工方案；岳向红等［16］分析厦门高崎互通下穿嘉禾路隧道监测数据，得出该隧道围岩和支护系统的变形及受力特点，指出浅埋暗挖隧道开挖影响的时空范围，提出控制围岩变形的有效措施。

在城市地区下穿既有道路或构（建）筑物的隧道工程方面，国内外有一些成熟的结构形式和施工工法，但在软土地区采用浅埋暗挖矩形结构穿越高速公路的隧道工程方案比较少见。本文结合昆明轨道交通3号线金太区间（金马寺站—太平村站）矩形断面隧道工程，根据隧道中导洞施工方案，在高速公路正下方的隧道结构中布设测点，对隧道永久结构和临时结构受力特性进行全过程监控，分析隧道结构施工力学行为，制定合理的施工方案，确保下穿隧道施工的安全，同时验证大断面矩形隧道导洞施工工序的合理性。

1 工程概况

1．1 工程地质概况

昆明轨道交通3号线区间隧道采用矩形断面形式，最小埋深仅3 m。线路位于昆明盆地东侧丘陵地带，属风化剥蚀残丘坡麓与残丘间沟谷过渡地貌，地形以圆丘为主，间夹低凹沟槽，海拔为1 900～1 970 m，自然横坡为10°～25°。沿线地下水主要有上层滞水、孔隙水和岩溶裂隙水。根据地质勘察，该地区的土层从上至下依次主要为杂填土、素填土、黏土和白云质灰岩（见图1），隧道结构主要位于素填土和黏土层中。

图1 隧道地质断面图

Fig.1 Geological profile of tunnel

1．2 工程设计概况

区间隧道长度为156 m，断面尺寸为11．6 m×7．0 m。采用“中导洞先行法”施工，全断面分6导洞先后开挖（见图2），其中：①—⑥表示导洞施工顺序；虚线表示隧道洞室开挖临时支护结构；实线表示二次衬砌。隧道先后开挖的导洞掌子面纵向错开距离为3～5 m，每循环进尺0．5 m。区间有一污水箱涵横跨隧道上方，污水箱涵高2 m、净宽2．5 m，箱涵底板与隧道开挖顶板之间的距离为0．34～0．53 m。

图2 隧道断面图

Fig.2 Cross section of tunnel

隧道结构采用复合衬砌形式，以钢筋网、喷射混凝土和钢架（I25a工字钢）为初期支护（厚度35 cm），二次衬砌采用钢筋混凝土（厚度70 cm）。辅助措施见图2（a），采用

42 mm超前注浆小导管和

180 mm（壁厚10 mm，长70～80 m）超长大管棚等。长大管棚从隧道进出口两端施工，在隧道中间部位搭接，确保在软土地层中形成完整的注浆层。隧道临时支护采用I20a工字钢、钢筋网和喷射混凝土。

2 区间隧道施工监测方案设计

针对金太区间暗挖隧道工程的特点，考虑下穿高速公路段的软土地层条件、支护类型、施工方法等因素，选择2个量测断面（见图3）进行监测。断面1里程为ZDK20＋134（高速公路边缘），断面2里程为ZDK20＋084（高速公路正下方）。

图3 区间隧道监测断面示意图

Fig.3 Monitoring sections distribution of running tunnel

6导洞施工对围岩扰动较大，针对隧道施工工法，选择监控量测方案（选测项目），主要对隧道围岩压力、钢架内外力进行监控分析，确保隧道施工安全和顺利进行。由于隧道施工过程中临时支护受力变化最为敏感，因此在先开挖洞室一侧临时支护（水平和竖向）埋设钢筋计，分析各导洞施工对临时支护应力影响的规律，同时为后期临时支护拆除方法与时机选择提供参考依据。隧道选测项目的主要内容见表1，隧道初期支护、临时支护测试元件布置见图4。

表1 现场监控量测内容及方法

Table 1 Monitoring items and measures of tunnel during construction

项目名称仪器名称量测方法和目的初期支护内力 振弦式钢筋应力计量测工字型钢架内力和外力，推算作用于初期支护的弯矩和轴力大小围岩压力压力盒 判断围岩的稳定性及围岩的应力分布状态，指导施工临时支护应力 振弦式钢筋应力计判断临时支护尺寸、间距及各导洞施工之间的相互影响，为后期临时支护安全拆除提供保障

3 隧道现场监控量测数据分析

受篇幅所限，不能将全部测试结果一一列出，仅对位于机场高速公路正下方的断面2监控量测结果进行分析。

图4 监测元件布置示意图

Fig.4 Layout ofmonitoring points for tunnel

3．1 隧道初期支护轴力分析

隧道初期支护不同测点处截面轴力的时程曲线见图5（图中正值表示受压，负值表示受拉）。可以看出：1）隧道初期支护各截面轴力随时间逐渐增加，在仪器安装后，轴力增长较快，说明隧道开挖后围岩应力释放比较大，初期支护衬砌强度不足，变形较大；随着隧道施工进行，最后衬砌轴力逐渐趋于稳定。由于各导洞施工中存在相互影响，导致导洞初期支护轴力趋于稳定的时间存在一定差异性。断面2位于高速公路正下方，受地面车辆荷载影响较大，同时导洞存在渗漏水现象，隧道施工时需要进行注浆处理，所以隧道钢架轴力变化较大。在监测断面处隧道结构的最大轴力为108．5 kN，出现在导洞⑤的拱顶，主要原因是隧道上方有一污水箱涵，管棚无法施工，局部采用小导管注浆加固，围岩承载力不足是导致结构轴力变大的主要原因。2）导洞①拱顶G点处隧道衬砌轴力短期内出现拉压变化（见图5（a）），说明导洞开挖后围岩应力释放不均衡。仪器安装2 d后衬砌轴力约为－4 kN，在第11天达到70 kN，然后发生突变减小至42 kN，随着隧道开挖进行，衬砌轴力慢慢趋于稳定（约为58 kN）。根据现场施工观察和记录，发现第10天导洞③、⑤先后开挖，围岩应力再次进行调整，对G监测点扰动影响较大。3）区间隧道结构位于黏土和素填土地层中，地基承载能力较差，下导洞施工后，底部围岩出现大范围的隆起现象，导致隧道结构C、D点断面出现受拉现象，最大轴力值分别为－56．8、－41．8 kN，施工中要特别加强提高地基承载力的辅助施工措施。隧道导洞⑤右侧同样出现了受拉现象，说明隧道右侧围岩侧向压力很大，需要加强监控。

根据现场施工量测数据，绘制隧道初期支护最大轴力包络图，结果见图6（图中正值表示受压，负值表示受拉）。可以看出：隧道初期支护轴力整体较小，以受压为主（最大值为108．5 kN），局部出现受拉（最大值为－56．8 kN）。总体来看，隧道衬砌上半部轴力较大，下部导洞底板轴力会出现不同程度的拉压变化。隧道导洞⑤顶部出现最大轴力，右边墙轴力为受拉状态，说明隧道断面的右上角承受较大的竖向和侧向作用力。同时导洞②、④底部结构也出现了受拉现象，说明导洞②、④、⑤的施工安全决定隧道整体结构的安全稳定，应重点加强施工辅助措施与监控。

图5 初期支护轴力时程曲线

Fig.5 Time history curves of axial forces of primary support

图6 初期支护轴力包络图（单位：kN）

Fig.6 Axial force envelope diagram of primary support（kN）

3．2 隧道初期支护弯矩监测分析

隧道施工过程中初期支护测点处截面弯矩时程曲线见图7。可以看出：1）隧道初期支护各截面的弯矩在开挖面附近变化较大，随着隧道开挖各截面弯矩逐渐趋于稳定。由于各导洞先后施工存在不同程度的相互影响，所以在施工过程中各导洞初期支护弯矩变化幅值存在一定的差异性。导洞①拱顶G测点弯矩在仪器安装初期变化较大，第7天出现最大值，主要是因为邻近导洞（导洞③、⑤）开挖面到达该监测断面，围岩再次扰动应力重分布对导洞①产生一定的影响，随着隧道开挖面远离监测断面，初期支护弯矩趋于稳定。2）导洞⑤H测点弯矩时程曲线在第20天出现波动，随后趋于稳定，主要是由下部导洞⑥开挖施工干扰引起的。同样隧道导洞⑥RB点弯矩在第13天出现突变，先是由6．9 kN·m突增至7．6 kN·m，随后减至5．7 kN·m，这主要是由于隧道导洞内出现涌水，随即采用洞内注浆堵水措施，局部改变围岩应力平衡过程造成的。

图7 初期支护弯矩时程曲线

Fig.7 Time history curves of bendingmoments of primary support

根据现场施工量测数据，绘制隧道初期支护弯矩包络图，结果见图8。可以看出：隧道结构弯矩整体变化幅值较小，主要是因为区间隧道采用

180 mm（壁厚10 mm）超长大管棚，分担了大部分围岩压力，围岩压力经喷射混凝土和钢筋网传递及重分配后，在初期支护上的作用力相对较小。隧道结构最大弯矩位于导洞①和导洞⑤拱顶处，分别为13．7 kN·m和11．4 kN·m，说明导洞①、⑤初期支护承受较大的围岩压力，需要加强施工监控和采取注浆加固措施。根据监测数据结果，现场进行小导管注浆处理，取得了较好的效果。

图8 初期支护钢架弯矩包络图（单位：kN·m）

Fig.8 Envelope diagram of bending moment of primary steel frame（kN·m）

3．3 隧道围岩接触应力测试分析

隧道施工过程中围岩与初期支护接触应力时程曲线见图9。可以看出：区间隧道围岩应力变化存在较大的差异性，大部分测点围岩应力在开挖面附近变化较大，最后趋于稳定。隧道最大围岩应力为46．6 kPa，发生在导洞④C测点（见图9（b）），说明隧道底部承受较大的地基反力。底板存在隆起现象，主要原因是现场导洞底部出现渗水问题，随后增设注浆孔对底部进行注浆堵水处理，这也验证了该部位隧道初期支护轴力出现受拉现象的原因（见图6，初期支护内侧受拉，外侧受压）。导洞③F测点围岩压力一直呈增长趋势，在第31天时应力为36．2 kPa（见图9（a）），为了防止岩土体失稳，采取了注浆加固措施，随后F测点损坏。导洞③LA测点的围岩应力一直受到较大的侧向土压力作用（见图9（c）），最大值达40 kPa，主要是由于该处上方污水箱涵的存在，导致管棚无法施工，围岩注浆加固效果较差，造成围岩接触应力变化较大。

根据现场施工围岩应力量测数据峰值，绘制隧道围岩与初期支护之间最大接触应力的包络图，结果见图10。可以看出：隧道围岩与初期支护间接触应力峰值沿洞周分布不均匀，呈现4个角点大、中间小的特点，主要是由于隧道断面形式为矩形，在夹角处易出现应力集中的原因。隧道现场监控量测数据显示导洞④底部地基反力较大（46．57 kPa），这是由于导洞底部出现渗水采取注浆处理措施，提高了地基承载能力的原因。导洞③水平和竖向应力都比较大，主要是因为该断面位于高速公路下方，并且上方的污水箱涵与隧道轴向斜交，导致管棚预支护措施缺失。在隧道施工过程中对导洞③增设系统锚杆和注浆小导管加固处理，确保了隧道施工安全。

图9 围岩接触应力时程曲线

Fig.9 Time history curves of contact stress of surrounding rock of tunnel

图10 围岩接触应力包络图（单位：kPa）

Fig.10 Envelope diagram of contact stress of surrounding rock（kPa）

3．4 隧道临时支护应力测试分析

浅埋大断面隧道施工过程中，临时支护对控制围岩应力和结构变形起到非常重要的作用。为了控制隧道整体结构的稳定性，分析各导洞施工过程中临时支护应力变化规律。选择隧道结构左侧临时支护的应力进行监测，取得了较好的预期效果，隧道施工过程中临时支护应力时程曲线见图11。可以看出：在隧道施工过程中，所有临时支护均处于受压状态，临时支护应力时程曲线出现多次起伏，主要由于后续导洞施工影响所致。临时支护最大应力出现在J点安装的第33天（最大值为28．7 kPa），而水平支撑最大应力为12．9 kPa。隧道临时支护I点应力明显呈现波动起伏状态，主要是因为导洞①开挖后，其余导洞开挖施工都对其产生扰动。各导洞之间施工相互影响的纵向距离为5～8 m。在隧道右侧导洞施工后，初期支护封闭成环，隧道临时支护应力出现减小的趋势，J测点应力从28．7 kPa减小至15．9 kPa，验证软弱围岩隧道支护尽快封闭成环是确保隧道整体结构安全的重要保障。

图11 临时支护应力时程曲线

Fig.11 Time history curves of stress of temporary support

4 结论与建议

1）昆明轨道交通3号线软土区间矩形隧道初期支护最大轴力发生在导洞⑤拱顶，最大弯矩发生在导洞①拱顶，而在导洞②、④底板处轴力出现受拉状态，说明各导洞开挖相互影响较大，尤其导洞②、④、⑤施工对隧道整体结构安全起决定性作用，需要加强监控与辅助措施。

2）区间隧道围岩接触应力峰值存在较大的差异性，最大围岩接触应力出现在导洞④底板处，且隧道矩形断面4个角围岩应力大，结构中部围岩应力偏小。这与软土地层隧道侧面与顶部采用超长大管棚预支护有关，底板未采用注浆加固措施，所以矩形隧道下导洞底部地基承载力较低，需要加强基底注浆加固措施。

3）选择对围岩应力释放控制较为敏感的临时支护应力进行监测，下导洞竖向临时支护应力最大，看出隧道水平临时支护比竖向临时支护应力小，同时隧道临时支护I点应力明显呈现波动起伏状态，很好地反映了各导洞施工引起围岩应力释放的规律。

4）该工程采用了

180 mm超长大管棚预支护措施，在管棚体系的力学支护机制及施工工艺参数方面还有待进一步研究，以便更好地为软土地区区间地铁隧道施工提供参考。

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Monitoring and Analysis of Construction Mechanics Behavior of Rectangular Tunnel Structure w ith Large Cross section in Soft Soil Stratum

ZHAO Hui

（Urban Rail Traffic Engineering Branch Co．，Ltd．of CTCE Group，Hefei230023，Anhui，China）

Abstract：Based on the running tunnel（Jinmasi Taipingcun）on Kunming Metro line No．3，the intermediate pilot method is adopted for the large cross section rectangular tunnel in soft soil stratum．The mechanical characteristics of tunnel structure aremonitored and analyzed by field monitoringmethod combiningwith construction theory during tunnel construction．The results show that the internal force of tunnel primary support is in a stable range under the condition of long pipe roofing grouting at roof and bilateral sides．And the axial force of primary support is in a tension state at the bottom of pilot tunnel due to the excavation disturbance of different pilot tunnels，especially the construction process management should be strengthened during the construction of the second，fourth and fifth pilot tunnel．The maximum stress between surrounding rock and structure appears at the bottom of pilot tunnel．And the stresses of four corners of rectangular structure are obviously more than those of other parts of tunnel structure，which shows that the grouting measure should be adopted so as to improve the bearing capacity of tunnel foundation．Based on the analysis of the stress change law of temporary support，the stress of temporary structure appears in an up down change state caused by the construction process of different pilot tunnels，which reflects the stress releasing characteristics of surrounding rock for all pilot tunnels．The results can provide reference for the design，construction and monitoring of shallow buried rectangular tunnel in soft soil stratum．

Keywords：soft soil stratum；large cross section rectangular tunnel；intermediate pilotmethod；constructionmechanics；monitoring

DOI：10．3973/j．issn．1672－741X．．S1．008

中图分类号：U 456

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（）S1－0046－07

收稿日期：－12－28；

修回日期：－03－14

作者简介：赵辉（1978—），男，安徽阜阳人，毕业于安徽理工大学（函授），土木工程专业，本科，工程师，现从事地铁工程施工工作。E mail：510757984＠qq．com。