黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究

岩石力学与工程学报 V ol.32 Supp.2

Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

收稿日期：2012–05–29；修回日期：2012–07–25

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51278063)；交通运输部科技项目(2010 353 361 310)

作者简介：乔 雄(1980–)，男，2002年毕业于甘肃工业大学土木工程专业，现为博士研究生、讲师，主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail ：qiaoxiong7599@qq.com

黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究

乔 雄

1，2

，陈建勋1，王梦恕3

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 7100；2. 兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；

3. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

摘要：为研究黄土公路隧道洞口段的变形规律，以陕西境内吴子高速公路刘家坪2号隧道右线为依托，采用现场监控量测的方法，对洞口段的净空收敛、围岩内部位移及拱部下沉进行测试。结果表明：(1) 从同一时刻2个断面拱部下沉和净空收敛的数据来看，拱部下沉明显大于净空收敛，因此施工中应以控制拱部下沉为主；(2) 变形数据的规律反映洞口段的地形偏压情况；(3) 洞口段拱部下沉时态曲线为基本稳定型，主要标志为下沉时态曲线平缓上升，但变形速率逐渐下降，表明该段黄土地层趋于稳定状态；(4) 2个断面的6条拱部下沉时态曲线的规律基本相同，表明虽然经历边墙和仰拱施工等巨大的空间变化，但下沉时态曲线无明显突变，表明马兰组新黄土地层的位移规律，其时间效应比空间效应显著。研究结果可为洞口段的设计与施工提供理论依据，为类似隧道工程洞口段的建设提供借鉴。

关键词：隧道工程；公路隧道；变形规律；监控量测；洞口段；黄土

中图分类号：U 451 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)增2–3552–05

TEST STUDY OF DEFORMATION LAW OF ENTRANCE SECTION

FOR LOESS HIGHWAY TUNNEL

QIAO Xiong 1，

2，CHEN Jianxun 1，WANG Mengshu 3

(1. School of Highway ，Chang ′an University ，Xi ′an ，Shaanxi

7100 China ；2. School of Civil Engineering ，Lanzhou University of Technology ，Lanzhou ，Gansu

730050，China ；3. School of Civil Engineering and Architecture ，Beijing Jiaotong University ，

Beijing 100044，China )

Abstract ：In order to study the deformation law of entrance section for loess highway tunnel ，based on the right line of Liujiaping No.2 tunnel of highway from Wubu to Zizhou in Shaanxi Province ，in-situ tests were conducted. The tunnel construction deformation was measured ，and the regression analysis was made in data processing of in-situ test. The results show that ：(1) From the arch subsidence and clearance convergence data of the same time in two sections ，it is found that the arch subsidence is greater than clearance convergence ，so the arch subsidence should be mainly controlled during the construction ：(2) The deformation data reflect the bias voltage of the portal section. (3) Tense curve of the arch subsidence is basically stable ，the main indicator is the tense curve of subsidence gently rising ，but the deformation rate decreases gradually which shows that the loess strata become stable ；(4) The tense curves of 6 arch subsidence in two section are basically the same ，it shows that although the sidewalls and inverted arch experience a tremendous spatial variation during the construction ，there is no obvious mutation in the tense curve of the subsidence. The displacement law of the Malan new set loess stratigraphy was shown ，and the time effect was more significant than spatial effect. The study results can provide a theoretical basis for the design and construction of the portal section ，and a reference for similar tunnel project

Key words：tunnelling engineering；highway tunnel；deformation law；monitoring and measuring；portal section；loess

1 引言

隧道洞口段是隧道的咽喉部位，由于其一般处于围岩软弱破碎、地形浅埋偏压的地段，给设计与施工造成了一定的难度，所以随着隧道建设的发展，愈来愈受到工程界人士的关注[1-4]。而围岩的变形是其应力形态变化的最直观反映，且可为隧道结构的稳定提供可靠的信息。因此，研究隧道结构的稳定性一般从围岩变形入手。如胡晓伟[5]采用全站仪对米脂1号黄土公路隧道的拱部下沉和净空收敛进行了现场测试，并应用有限元软件(MIDAS/GTS)对隧道的施工过程进行了有限元模拟分析，研究结果表明，初期支护仰拱闭合的支护结构受力更合理，对围岩变形有显著作用。赵勇[6]对隧道围岩动态变形规律及控制技术进行了研究，提出了围岩变形控制的技术要点和技术措施，并提出相应的围岩变形控制建议。雷权有[7]对黄土覆盖土、岩接触地层中隧道围岩变形特征及支护技术进行了研究，得出了在土、岩接触带中开挖隧道时，应适当加强隧洞周边土体侧向的支护，尤其在土体侧拱肩处应加强支护，从而保证支护结构的变形统一均匀；同时，应进行合理地布局分步开挖，减小对土层的扰动等结论。赵东平等[8]对大断面黄土隧道变形规律及预留变形量进行了研究，得出大断面黄土隧道变形规律表现为隧道拱顶、拱脚下沉差异小，隧道开挖后拱部将产生一定程度的整体下沉；隧道拱顶下沉量均大于水平收敛；初期支护封闭后，隧道周边位移基本上不再发展；当隧道埋深小于40 m时，隧道变形量较大且规律不明显；当隧道埋深大于40 m时，隧道变形量分布相对集中。现有的研究成果显示，对隧道洞身段变形的研究较多，而对于洞口段变形规律的研究则很少涉及，而实际工程地质的复杂性以及施工等因素的不确定性，又增加了隧道洞口段设计与施工的难度，且严重制约了黄土隧道建设的发展。为此，本文结合刘家坪2号黄土公路隧道右线洞口段的现场实测资料，对黄土公路隧道洞口段的变形规律进行深入的研究。2 依托工程概况

刘家坪2号隧道位于国道主干线青岛—银川高速公路陕西境吴堡至子洲段，在陕西省绥德县境内，隧道区域地处黄土高原腹地，属陕北高原黄土梁峁区，暖热带半干旱季风气候，冬春长、夏秋短、温差大，夏季平均气温21 ℃，冬季平均气温－5 ℃。隧道为双洞四车道上下行分离式，隧道左线长350 m，右线长340 m，里程为YK49+650～990。

隧址区地貌形态类型为黄土梁峁区峁状谷坡地形，围岩上部为第四系全新统坡积次生黄土，下部为老黄土。次生黄土土质疏松，松软结构，垂直节理发育，成洞性较差。隧道洞口段围岩为马兰组新黄土，土质较均，大孔、虫孔、垂直节理发育，具有湿陷性，呈松软结构，施工开挖易坍塌，处理不当会出现大的坍塌。洞口中线与等高线斜交，有明显偏压现象。围岩级别属于VI级，最小埋深4 m。刘家坪2号隧道洞口段山体概貌如图1所示。

(a) 山体概貌(进洞施工前)

(b) 山体概貌(施工中)

图1 刘家坪2号隧道洞口段山体概貌

Fig.1 Mountain overview of Liujiaping No.2 tunnel portal section

• 3554 • 岩石力学与工程学报 2013年

3 现场监控量测的目的与布置

3.1 监测目的

为了了解刘家坪隧道洞口段的围岩变形规律，并针对性地提出控制变形的措施，从而指导隧道的施工，在刘家坪2号隧道的洞口段设置了变形监测断面。 3.2 测点布置

净空收敛量测在每个断面的跨度最大处，埋设一条水平收敛量测基线，采用数字式收敛仪监测。围岩内部位移采用3点位移计监测，位置设于隧道横断面的跨度最大处偏上20 cm 处。拱部沉降量测在拱顶和两侧拱腰(距拱顶2 m 处)共布置3处拱部沉降测点，采用精密水准仪监测。断面布置如图2所示。

图2 周边位移监测项目横断面布置

Fig.2 Cross-sectional layout of peripheral displacement

monitoring project

4 测试结果及分析

4.1 净空收敛和围岩内部位移

净空收敛和围岩内部位移共设了2个监测断面，里程分别为YK49+670和YK49+676。下部净空收敛和围岩内部位移的量测结果如表1所示，净空收敛时态曲线如图3所示，围岩内部位移时态曲线如图4所示。

由表1和图3，4可以看出：

(1) YK49+670断面的净空收敛最大值为1.49 mm ，量值较小，但平均速率为0.19 mm/d ，接近围岩基本稳定判别标准0.2 mm/d ；YK49+676断面的净空收敛最大值为5.29 mm ，量值较小，但平均速

率为0.69 mm/d ，远大于围岩基本稳定判别标准0.2

表1 VI 级围岩断面初期支护净空收敛和围岩内部位移的

最大量测值

Table 1 The maximum measured values of initial support of

the clearance convergence and the surrounding rock displacement in VI grade surrounding rock section

净空收敛 1.49 0.19 5.29 0.69 围岩位移左侧 0.14 0.01 －0.14 0.01 围岩位移右侧

1.27

0.12

－0.09

0.01

注：要求达到基本稳定的变形速率≤0.2 mm/d 。

(a) 桩号YK49+670

(b) 桩号YK49+676

图3 刘家坪2号隧道净空收敛时态曲线(2006年) Fig.3 Clearance convergence temporal curves of

Liujiaping No.2 tunnel(in 2006)

(a) 桩号YK49+670左侧围岩

(b) 桩号YK49+670右侧围岩

－日期

u /m m

－日期 u /m m

日期

u /m m v /(m m ·d －1)

日期

u /m m v /(m m ·d －1)

净空收敛监测测点

第32卷 增2 乔 雄等：黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究 • 3555 •

(c) 桩号YK49+676左侧围岩

(d) 桩号YK49+676右侧围岩

图4 刘家坪2号隧道围岩内部位移时态曲线(2006年) Fig.4 Internal displacement temporal curves of Liujiaping

No.2 tunnel(in 2006)

mm/d 。由于净空收敛监测受到开挖工序的影响，初期的变形量未能采集到，导致测值偏小，但收敛速率较大，黄土的这一变形时间效应显示，量测时间过短，该段黄土地层尚未达到基本稳定。

(2) YK49+670断面和YK49+676断面净空收敛时态曲线呈上升趋势，说明该地段围岩没有进入稳定阶段，与表2拱顶下沉的结果相吻合。

表2 VI 级围岩断面拱顶下沉量测结果

Table 2 Arch subsidence measurement results in grade VI

surrounding rock section

里程

位置 最大下沉量/

mm

最大速率/

(mm ·d －

1) 最终速率/

(mm ·d －

1) YK49+670

左拱腰

78 11.5 －0.7 拱顶 45 5.0 0.3 右拱腰 22 3.0 0.0 YK49+676

左拱腰

74 6.0 0.7 拱顶 65 5.0 0.4 右拱腰

48 3.5 0.3

(3) YK49+670断面净空收敛值为1.49 mm ，围岩左右两侧的内部位移值之和为：0.14(左侧)+1.27(右侧) = 1.38 mm ；净空收敛值≈两侧三点位移计测值之和，表明该段黄土层的松弛范围在3 m 内。同时表明该段存在偏压，右侧变形明显大于左侧。

(4) YK49+676断面净空收敛值为5.29 mm ，围

岩内部左右两侧位移值之和为：－0.14(左侧)+ (－0.09)(右侧) = －0.23 mm ；因围岩内部位移的量测结果反常，不仅没有位移而且还有向外的位移趋势，显然不合理，这可能是由于埋设的三点位移计未能同周围的土体密切接触，不能共同变形所致。 4.2 拱顶下沉

拱顶下沉共设了2个监测断面，其里程分别为YK49+670和YK49+676；每个监测断面设3个测点，分别为拱顶一个测点，拱顶向左、右偏移2 m 各一个测点；拱顶下沉的最大值、最大速率和最终速率量测结果见表2，时态曲线见图5。

(a) 桩号YK49+670

(b) 桩号YK49+676

图5 刘家坪2号隧道拱部下沉时态曲线(2006年) Fig.5 Arch subsidence temporal curves of Liujiaping

No.2 tunnel(in 2006)

洞口段YK49+670，YK49+676两个断面上的拱部下沉量测数据比较规律，由表2和图5可以看出：

(1) 洞口段拱部下沉时态曲线，为基本稳定型，主要标志为时态曲线平缓上升，但变形速率曲线逐渐下降，表明该段黄土地层趋于稳定状态。

(2) 2个断面的6条时态曲线，

下沉规律基本相同；下沉时态曲线显示，虽然经历了边墙和仰拱施工等巨大的空间变化，但下沉时态曲线无明显突变，表明了马兰组新黄土地层的位移规律，其时间效应比空间效应显著。

(3) 从同一时刻2个断面拱部下沉和净空收敛的数据来看，拱部下沉明显大于净空收敛。

(4) 从2个断面6个测点的下沉值可看出，拱

部左侧拱腰下沉值(78，74 mm)明显大于右侧拱腰下

－

－u /m m

二次衬砌施作

－

－－－u /m m

－

日期

拱顶实测曲线 右拱腰速率曲线

右拱腰实测曲线 u /m m v /(m m ·d －1)

－05050505050505050506060606日期

左拱腰速率曲线 左拱腰实测曲线 拱顶实测曲线 右拱腰速率曲线

u /m m v /(m m ·d －1)

沉值(22，44 mm)，表明本监测段处于偏压地段。

5 围岩变形控制措施

由实测数据可知，在黄土隧道洞口段围岩的变形中，拱部下沉明显大于净空收敛，因此施工中应以控制拱部下沉为主。在施工现场，主要采用型钢支撑对拱部进行临时支撑(见图6)，控制了拱部沉降，保障了施工质量，取得了良好的施工效果。

图6 拱部支撑

Fig.6 Arch support

6 结论

隧道洞口段的变形规律可以为解决隧道洞口段设计与施工的难题提供理论依据，通过对刘家坪2号隧道的现场监控量测，揭示了黄土隧道洞口段的变形规律，并采取了相应的控制变形的措施，保障了隧道洞口段的施工安全。刘家坪2号隧道洞口段变形现场监测结果表明：

(1) 由于受施工、现场环境及监测手段的影响，故隧道的变形监测数据较难获得，尤其是净空收敛的数据更难，因此，此次监测所得的规律颇为珍贵。且由于净空收敛监测受到开挖工序的影响，初期的变形量未能采集到，导致测值偏小，但收敛速率较大，黄土的这一变形时间效应显示，量测时间过短，该段黄土地层尚未达到基本稳定。

(2) 变形数据的规律反映了洞口段的地形偏压情况。

(3) 洞口段拱部下沉时态曲线，为基本稳定型，主要标志为下沉时态曲线平缓上升，但变形速率逐渐下降，表明该段黄土地层趋于稳定状态。

(4) 两个断面的6条拱部下沉时态曲线的规律基本相同；表明虽然经历了边墙和仰拱施工等巨大的空间变化，但下沉时态曲线无明显突变，表明了马兰组新黄土地层的位移规律，其时间效应比空间效应显著。

(5) 从同一时刻2个断面拱部下沉和净空收敛的数据来看，拱部下沉明显大于净空收敛，因此施工中应以控制拱部下沉为主。

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Modern Tunnelling Technology，2009，46(6)：–69.(in Chinese))

黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究

作者：乔雄， 陈建勋， 王梦恕， QIAO Xiong， CHEN Jianxun， WANG Mengshu

作者单位：乔雄,QIAO Xiong(长安大学 公路学院，陕西 西安 7100; 兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州730050)， 陈建勋,CHEN Jianxun(长安大学 公路学院,陕西 西安,7100)， 王梦恕,WANG Mengshu(北京交

通大学 土木建筑工程学院,北京,100044)

刊名：

岩石力学与工程学报

英文刊名：Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

年，卷(期)：2013(z2)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yslxygcxb2013z2071.aspx