何 军 李梦瑶 申小军 王树民 王华东

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2.长安大学，陕西 西安 710000； 3.中交一公局集团有限公司，北京 100020)

1 概述

随着隧道建设数量和规模的不断加大，新建公路隧道穿越既有公路隧道的空间立体交叉式施工案例随之出现[1,2]。由于立体交叉隧道支护结构内力与围岩间的接触应力受多种因素的影响，变化规律复杂，且新建隧道开挖对围岩造成多次扰动，常会引发冒顶、塌陷等安全事故的产生，严重影响隧道施工进度。为此国内外学者开展了深入研究[3-5]，许庆君等[6]在单向El地震波作用下对正交型立体交叉隧道中上跨和下穿隧道环向及轴向应变峰值进行了分析研究；陈涛[7]结合深圳地铁8号线工程,研究小间距地铁隧道上穿施工对既有结构影响并进行安全性评价，得出新建隧道附加应力沿既有隧道轴线方向近似服从高斯分布；白延红等[8]以西安高新区创业新大陆地下通道工程为背景，通过有限元数值模拟分析,研究穿越地铁段既有支护加固体系的可行性；许有俊等[9]推导了新建地铁上穿施工引起的既有隧道结构的卸荷附加应力系数解析解,利用Maple软件对关键卸荷参数与附加应力系数的关系进行了研究；张晓光等[10]基于ABAQUS有限元软件建立了隧道下穿地铁线路的三维模型,认为设置合理的掌子面支护力以及注浆压力是保证施工开挖以及既有线路安全的关键。

本项目选取伏牛山特长公路隧道1号斜井1号联络风道上跨主洞右线段进行现场监测试验，运用统计学的方法，从时间演化和空间分布两方面对小净距立体交叉隧道施工围岩—支护结构稳定性进行研究，以期为今后类似工程施工与设计提供参考。

2 工程背景

2.1 伏牛山隧道1号斜井概况

伏牛山隧道1号斜井，全长1 150 m，净宽8.8 m，净高7.5 m。共设联络通道风道3处，其中1号联络风道如图1所示，起始点位于1号斜井XJ1K0+110.0处，水平上跨主隧道右洞于K84+838.0里程，与主隧道左洞连接设立排风交叉口，交叉口桩号ZK84+888.0。1号联络风道跨越主隧道右线上跨段施工分两阶段进行，首先进行爬坡段施工，后转至水平段上跨，其中爬坡段底板距主隧道右线最近距离仅约2 m。

2.2 工程地质条件

3 监测方案

3.1 监测内容

根据JTG F60—2009公路隧道施工技术规范、JTG/T D70—2010公路隧道设计细则中关于监控量测实施的要求，结合伏牛山特长公路隧道采用的复合式衬砌施工情况，本监测采用必测项目(洞内外观察、拱顶及周边收敛监测)+选测项目(围岩应力观测、支护应力观测)监测相结合的形式。

3.2 监测元器件及原理

3.2.1监测仪器选择

考虑到伏牛山特长公路隧道施工工序紧凑，大型机械设备往返频繁以及洞内阴暗潮湿的环境特点，选用的监测元件应满足输出信号稳定、抗干扰能力好的特点，可以在恶劣环境中进行有效监测，经综合比较分析，决定选用Lecia全站仪、JSS30A型数显收敛计、振弦式土压力盒、振弦式应变计分别对隧道位移情况、围岩压力及初期支护混凝土应变情况进行监测，仪器参数及用途如表1所示。

3.2.2振弦式传感器原理

钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小，其通用计算公式如下:

(1)

表1 监控量测仪器型号及参数

3.3 布设方法

选择伏牛山隧道1号斜井1号风道上跨右洞段进行监测，共布设3个断面，如图2所示，断面间隔5 m，各断面拱顶、左右拱腰、左右边墙位置分别布设相应的监测点。

第一步，钻爆开挖掌子面至相应里程后，进行拱顶沉降监测点及周边收敛监测点的布设，分别于拱顶、左右拱腰、边墙位置钻孔，在孔内埋设膨胀弯钩，其中拱顶弯钩一侧粘贴带有中心十字的反光贴片；

第二步，在初支拱架布设完毕后埋设土压力盒。为使土压力盒表面与基岩新鲜面保持垂直接触，将传感器放入塑封袋中，穿孔导出电缆线后，填充细砂料，填充过程中不断用手拍打沙袋使沙袋密实且使土压力传感器置于中间位置，其上下面与细砂接触良好。用透明胶带包裹加固装有土压力盒的沙袋后，利用两根12号铁丝绕过拱架把土压力盒紧固，记录各部位土压力盒编号并沿结构体引出电缆测线；

第三步，埋设应变计。在预埋设位置钢拱架内、外缘表面喷撒钢筋除锈剂并用砂纸打磨光滑，在埋入式应变计两端加装焊接固定台座、加装薄皮铁盒保护罩后，通过焊枪将埋入式应变计两端固定台座焊接在设计位置，记录内外应变计的编号，沿结构体引出电缆测线；

第四步，土压力盒、埋入式应变计在混凝土喷射覆盖24 h后，被测结构物无外界因素影响下，读取数据，每个部位应读取5组数据，若数据波动在2 Hz以内，则取其平均值作为安装初始值记录。拱顶及周边收敛在初始布设后分别采用Lecia全站仪及数显式收敛计进行测读，记录其初始值，采用相对沉降/收敛的方法进行监测(见图3)。

3.4 监测频率

在隧道监控量测中，监测频率要满足工程监测工作实际需要，根据不同的管理等级而不同。当监测项目的累计变化值接近或超过报警值时，应加密监测；根据JTG F60—2009公路隧道施工技术规范规定，伏牛山1号斜井立体交叉洞室的监测频率如表2所示。

表2 各监控量测项目观测频率

4 监测数据分析

伏牛山隧道1号斜井1号排风口施工受坡度影响，为方便施工期间的通电、排水采用倒序施工法，分两阶段完成，首先从已开挖完毕的主隧道左洞ZK84+888里程右边墙扩挖排风口后斜向上爬坡至与主隧道右线拱顶左上方时，随后转换水平段施工，上跨通过既有主隧道右线。本监测项目于2020年3月15日主隧道右线K84+837里程开挖完成后，进行相关监测元件安装。原计划1个月后进行上跨段施工，后因工序调整，爬坡段实际施工日期为2020年6月13日～2020年6月28日，水平段上跨施工时间段为2020年6月28日～2020年7月3日。受篇幅限制，仅介绍最具代表性的K84+837断面(监测断面2)位移、围岩压力及混凝土应变特征。

4.1 位移分析

拱顶及周边收敛位移情况如图4所示，监测点初始埋设阶段，受地应力重分布调整的影响，位移变化速率较大，在断面2开挖后1 d～10 d内拱顶位移处于急剧沉降阶段。10 d～15 d时围岩位移速率逐渐缓和，20 d左右时已基本处于稳定状态。随着上跨段开挖，拱顶先产生较小沉降，沉降值为1.2 mm，后拱顶位移急剧上升，单日最大上升可达1.6 mm，随着上跨段施工结束，相对上跨段开挖前的稳定状态变化值为-3.6 mm。

拱腰及边墙水平收敛位移在断面2开挖后1 d～15 d内变化较快，15 d～20 d内速率减缓，20 d后拱腰、边墙水平位移基本趋于稳定状态。随着爬坡段的开挖，边墙水平位移稳定状态最先破坏，产生背离洞径方向的位移，位移值大小为-0.7 mm。随着爬坡高度的升高，拱腰随之产生背离洞径方向的急剧位移，当掌子面转至水平段施工后，位移速率减缓，期间累计位移-6.2 mm。究其原因可能是监测断面左侧爬坡段的开挖产生新的临空面，移除了原有的围岩限制，围岩应力发生重分布，断面2左侧壁围岩受偏压作用的影响，产生背离隧道洞径方向的位移，且左拱腰监测点与爬坡段底板直线距离最近仅2.1 m，故其位移受1号风道上跨段开挖影响最为显著。

4.2 围岩压力分析

4.2.1围岩荷载随时间的变化规律

伏牛山隧道右线监测断面2各部位围岩压力监测结果如图5所示，分析可知断面开挖完毕后，围岩压力逐渐上升，15 d～20 d时，断面各部位围岩压力已基本稳定。2020年6月13日爬坡段动工，除左边墙围岩压力明显增大外，其余各部位几乎不受影响。至6月20日爬坡段施工至中部位置，各部位围岩压力发生显著变化，其中左拱腰围岩压力急剧增长，增长速率最大值可达0.04 MPa/d，截至7月3日上跨施工完成左拱腰围岩压力累计增长0.27 MPa，在监测过程中发现断面左拱腰附近发生初支混凝土剥落及部分钢拱架变形现象，初步分析原因为开挖掌子面与左拱腰距离过近，且钻爆开挖装药量控制不足引发强震，造成初期支护受损，从围岩稳定性角度分析尚处于可控的稳定状态。上跨段施工过程中，拱顶围岩压力增长呈现先慢后快的特点，当上跨至监测断面拱顶正上方时，拱顶围岩压力达到峰值0.35 MPa；右拱腰围岩压力呈现较小的特点，上跨段开挖期间减小值为0.15 MPa，分析原因可能是隧道受偏压效应影响，断面左侧受压右侧受拉，这与隧道位移监测结果相印证。上跨段开挖完成后，围岩压力在5 d左右快速恢复稳定。

4.2.2围岩荷载在空间上的分布规律

为直观的研究围岩压力在监测断面的分布规律，从空间角度出发，绘制了如图6所示的围岩压力空间二维分布图，可以看出上跨段开挖前，断面整体受压，围岩应力沿拱顶中线呈对称分布，围岩压力大小拱顶>拱腰>边墙。上跨段开挖围岩发生二次扰动，应力重分布，稳定后监测断面围岩压力分布呈现拱顶中线左侧远大于右侧的偏心受压的特征，围岩荷载大小排序变为左拱腰>拱顶>左边墙>右边墙>右拱腰，尚未产生拉应力，隧道围岩仍处于可控的稳定状态。

4.3 初期支护—混凝土应变分析

通过对监测断面2所埋设的应变计监测数据进行分析，得到初期支护混凝土应变数据如图7所示，可以看出监测元件初始埋设阶段，混凝土应变上升迅速，直至监测20 d左右时，混凝土应变趋于稳定，各监测点均为压应变，应变值介于112.3 με～173.8 με，同围岩压力分布情况相同，呈现对称分布的特征。随着交叉段上跨开挖，拱顶、左拱腰、左边墙混凝土应变发生显著增加，其中左拱腰位置混凝土应变增长速率最快，2020年6月22日增长至212.3 με，后因钻爆开挖引发强震，左拱腰监测点位破坏。右拱腰及边墙位置混凝土应变监测数据迅速减小，且减小速率右拱腰大于右边墙，开挖期间右拱腰混凝土应变变化量-97.5 με。上跨段开挖完成后，断面混凝土应变值在40 με～226 με以内。

5 结语

根据伏牛山隧道1号斜井1号风道上跨主隧道右线现场监控量测数据结果分析可知：1)初次开挖后，监测断面隧道位移监测数据增长迅速，至20 d时基本处于稳定状态。上跨段开挖后，地应力发生二次重分布，既有隧道拱顶上浮，拱腰、边墙产生背离洞径方向的扩张，上跨段通过后5 d各点位移监测数据即处于稳定状态。2)上跨段的开挖使得围岩压力由原有的沿隧道拱顶中线对称分布，转变为左侧远大于右侧的偏压分布，且左拱腰位置出现混凝土剥落及拱架变形现象，后续有类似工程施工时应严格控制钻爆开挖单次装药量，采取多台阶弱爆破施工方法，且在进行支护设计时应采取偏压加固。3)混凝土应变趋势同围岩压力变化趋势相同，呈现左增右减的特点，左拱腰位置急剧增加至监测仪器损坏，上跨期间右拱腰混凝土应变变化量-97.5 με，交叉段开挖完成，断面混凝土应变值在40 με～226 με以内。4)既有隧道施作二次衬砌的最佳时间为交叉段上跨开挖完成5 d后，此时隧道围岩位移、压力、初支混凝土应变已处于稳定状态。