岩石力学与工程学报 Vol.26 No.4
2007年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2007
城市复杂条件下浅埋大跨双连拱隧道
施工变形监测与控制
李二兵1，王 镝2，王 源1，谭跃虎1，张凌辉1
(1. 解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007；2. 南京市城市建设投资控股(集团)有限责任公司，江苏 南京 210009)
摘要：城市公路隧道一般具有埋深较浅和周围建(构)筑物密集2个主要特点。以南京市九华山隧道施工为例，详细介绍复杂地质条件下城市公路浅埋大跨双连拱隧道施工过程中变形现场监控的项目、方法及手段，对隧道各施工阶段的变形进行监测与分析，并提出控制大变形的工程措施。结果表明：(1) 隧道支护结构的变形和稳定时间与所处的地质条件有很大关系，围岩越差，变形越大，稳定时间也越长。(2) 软弱地层中，变形存在滞后效应，且变形时间效应比空间效应明显。(3) 封闭支护结构是改善结构受力和抑制隧道变形的有效途径，应尽早施作仰拱和形成封闭环。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。 关键词：隧道工程；浅埋大跨双连拱隧道；现场监测；变形控制
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)04–0833–07
MONITORING AND CONTROL OF CONSTRUCTION DEFORMATION OF URBAN SHALLOW-BURIED LARGE-SPAN DOUBLE-ARCH TUNNEL
UNDER COMPLEX CONDITION
LI Erbing1，WANG Di2，WANG Yuan1，TAN Yuehu1，ZHANG Linghui1
(1. Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China；
2. Nanjing Urban Construction Investment Holding(Group) Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210009，China)
Abstract：The shallow-embedded depth and dense surrounding buildings are two main characteristics of urban road tunnel. Taking the construction of Jiuhuashan Tunnel in Nanjing for example，the contents，technique and method of deformation monitoring of urban shallow-buried large-span double-arch tunnel under complex geologic condition are described in detail. The deformation of tunnel during different construction stages is monitored and analyzed；and the engineering measures to control deformation are put forward. The result shows that (1) the deformation and stability time of tunnel are closely related with the geologic conditions，and increase with the surrounding rock becoming worse. (2) the deformation of the soft ground has lagging effect；and the time effect of the deformation is more prominent than the spatial effect of the deformation. (3) the enclosure of the lining is an effective method to improve the performance of lining and to restrain the deformation of tunnel；and it′s important to construct the inverted arch and to close the lining. The experience and conclusions presented can provide reference to design，construction and research of similar tunnel.
Key words：tunnelling engineering；shallow-buried large-span double-arch tunnel；in-situ monitoring；deformation control
收稿日期：2006–06–06；修回日期：2006–08–29
作者简介：李二兵(1979–)，男，2001年毕业于解放军理工大学工程兵工程学院国防人防工程系土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。E-mail：lebingest@126.com
• 834 • 岩石力学与工程学报 2007年
1 引 言
随着我国社会经济的发展，隧道工程的建设也进入了一个新的高潮。连拱隧道因跨度大，线形流畅，占地面积少，空间利用率高，避免了洞口路基或大桥分幅，与洞外线路连接方便，同时在适应地形条件、环境保护以及工程数量上都具有优越性，成为在特定条件下修建隧道时采用较多的大跨度结
构形式，在我国已有多处应用于干线公路隧道[1～
9]。但是在我国城市公路隧道中采用大跨度双连拱隧道形式并不多见。城市公路隧道多在城市中心地带，一般具有埋深较浅和周围建(构)筑物密集2个特点，由于连拱隧道开挖跨度较大，施工工序繁多，开挖和支护相互交错，围岩应力变化和衬砌荷载转换十分复杂，增加了隧道施工过程中变形和稳定控制的难度，同时施工过程中不可避免地对周围环境产生影响。目前，我国有关双连拱隧道设计、施工的标准还没有确立，根据国内已有连拱隧道的设计和施工经验，只有认真地对地面和洞内的施工反应动态进行现场监测，依据反馈的数据修正设计参数和施
工顺序，才能保证隧道施工的安全和顺利进行[7～
10]。因此，必须采取有效的监测措施，加强现场施工监控量测，以保证隧道施工和周边环境的安全。
本文以南京市九华山隧道的现场监测实践为例，详细介绍了城市复杂条件下大跨双连拱隧道的变形监测手段及方法，对隧道各施工阶段的变形进行了监测与分析，并提出了控制大变形的工程措施，为今后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。
2 工程概况
九华山隧道是南京市内环东线工程的重要组成部分。隧道全长445 m，设计为双向6车道双连拱隧道，最大开挖高度为10.74 m，最大开挖宽度为32.50 m(见图1)，最大埋深50 m，洞口浅埋段深5～ 10 m，属浅埋及超浅埋大跨度隧道。隧道由南向北穿越九华山山体，工程、水文地质条件和周边环境十分复杂。隧道洞身位于地下水位以下，围岩按相关规范[11]分为IV，V，VI级，地质纵剖面如图2所示。进口段为强风化带，上覆杂填土；中部发育，岩性多变，岩体节理、裂隙极发育～很发育；出口段为亚黏土层及淤泥质亚黏土层，呈软塑状态，强
度很低，自稳性极差。隧道出口段上方有民用建筑
单位：mm
注：图中①，②，③，…为开挖顺序；II，III，…为衬砌修筑顺序
图1 隧道设计断面与施工顺序
Fig.1 Design cross-section and construction sequence of tunnel
和国家级文物明古城墙，明古城墙底离隧道拱顶仅18 m；隧道2次下穿人防隧洞，人防隧洞底板距隧道拱顶距离仅5～11 m；通风竖井附近有文物龟。
隧道开挖和施工顺序见图1，中导洞和左、右侧导洞超前开挖，初期支护紧跟，但3个导洞不同时爆破。结构设计为复合衬砌，以锚杆湿喷混凝土、钢筋网等为初期支护，并辅以管棚、钢支架、注浆花管等支护措施。由于该隧道开挖跨度大，施工工序转换复杂，特别是受工期影响，中导洞和左、右侧导洞一起掘进，围岩不稳定性因素大大增加。为此，对隧道施工和周边环境进行了全过程的变形现场监测，并及时反馈信息以指导施工。
3 监测方案设计
隧道穿越的九华山是南京的名胜风景之一，施工期间的环境保护至关重要。隧道通过九华山脚下的明古城墙时，必须保证明古城墙不因地表沉降和变形过大而导致开裂或倾斜。隧道洞口附近大量的民宅及公共建筑设施也要求地表沉降量控制在允许的范围内。为此，根据本工程地质条件、隧道施工工艺和周边环境等特点，分别对洞内施工和洞周环境进行了变形监测。隧道内测点布置如图3所示，出洞口地表测点布置如图4所示，各监测项目采用的仪器、布置断面和测点数目见表1。
4 监测结果分析
变形监测按隧道施工作业面分为南、北区和中部竖井3个监测现场，下面取北区(里程K5+750～K5+510)主要变形监测结果进行分析研究。 4.1 洞内监测结果分析 4.1.1 导洞变形结果分析
第26卷 第4期 李二兵，等. 城市复杂条件下浅埋大跨双连拱隧道施工变形监测与控制 • 835 •
图2 九华山隧道地质纵断面图
Fig.2 Geologic longitudinal cross-section of Jiuhuashan Tunnel
高程/m
在导洞施工中，对隧道初期支护结构的拱顶下沉和水平收敛进行了监测，所用仪器和断面间隔见表1，断面测点布置见图3。
各超前导洞初期支护后拱顶下沉纵向分布曲线
注：图中左、右洞分别表示初期支护和二次衬砌时的测点布置
见图5，K5+730断面拱顶下沉时程曲线见图6，导洞初期支护后水平收敛部分统计结果见表2，K5+ 735断面初期支护后水平收敛时程曲线如图7所示。
根据以上统计结果及所绘制图形可知：
图3 隧道内测点布置
Fig.3 Measuring points arrangement in tunnel
图4 地表测点布置示意图
Fig.4 Arrangement of measuring points on ground surface
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表1 隧道变形监控项目及量测方法
Table l Deformation measurement contents and method
位置 项目名称
仪器
布置断面
间隔10～30 m，洞口附近间距较小 间隔10～30 m，洞口附近间距较小 沿中墙间隔40～50 m
进、出洞口，通风竖井附近和古城墙 进、出洞口，通风竖井附近和古城墙 洞口和竖井附近建筑物和古城墙
测点布设情况
每断面初期支护6～8条水平测线，二次衬砌2个三角形测线 每断面初期支护7～9个测点，二次衬砌6个测点 4个测点
进洞口15个，出洞口31个，古城墙10个测点
进洞口14个，出洞口16个，古城墙13个，竖井13个测点 根据具体情况布置
洞周收敛 DSS–2型数显收敛计 洞内 拱顶沉降 索佳B20型精密水准仪
中墙位移 多点位移计
沉降 GPT–3002型全站仪 地表 位移 GPT–3002型全站仪
裂缝
钢尺
里程
K5+500 K5+550 K5+600 K5+650 K5+700 K5+750
0
2040下沉量/mm 6080100120140160180
V类围岩
表2 导洞初期支护后水平收敛部分统计结果 Table 2 Partial statistical results of horizontal convergement
of pilot tunnel after preliminary support
里程测点 K5+748(左导洞) K5+735(右导洞) K5+735(左导洞)
VI类
围岩
K5+735(中导洞) K5+720(左导洞) K5+720(右导洞) K5+700(中导洞) K5+640(右导洞) K5+550(左导洞)
60 70 8090K5+530(右导洞)
10080水平收敛/mm 6040200围岩类别Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ III III II II
观测 天数 /d 76
收敛 时间 /d 52
最大收敛 速率
－
/(mm·d1)
7 4 13 5 2 4 1 1 2 2
最大位移/mm 38 57 102 36 16 9 4 5 10 12
右导洞
中导洞 左导洞
IV 类围岩
74 48
67 54 98 51 15 37 31 19 14
65 41 11 17 14 14 11
图5 导洞初期支护后拱顶下沉纵向分布曲线 after preliminary support
时间/d
0 0204010 20 30 40 Fig.5 Longitudinal curves of crown settlement in pilot tunnels
50 左导洞上测线 中导洞上测线 右导洞上测线 右导洞中导洞左导洞下沉量/mm 6080100120140160 2005021220050312200504092005050720050604Fig.6 Time-history curves of crown settlement of section K5+
730 in pilot tunnels after preliminary support
日期/年月日
(1) 隧道支护结构的变形和稳定时间与所处的地质条件有很大关系，围岩越差，变形越大，稳定时间也越长。对于出洞口段，虽然埋深较浅，上部荷载较小，但由于岩性太差，围岩级别为VI级，收敛位移和拱顶下沉都比较大，收敛位移均超过了30 mm，最大达到102 mm，拱顶下沉的最大值更是达到了140 mm，收敛稳定时间超过40 d。而对于IV级
图7 K5+735断面初期支护后水平收敛位移时程曲线 Fig.7 Time-history curves of horizontal convergement of
section K5+735 after preliminary suppart
围岩，其收敛变位和拱顶下沉则较小，收敛位移一般为5 mm，拱顶下沉小于20 mm，收敛稳定也较快。
(2) 左导洞变形要比右导洞变形大，施工时对中导洞收敛变位的影响也要比右导洞的影响大。这
20050702
图6 导洞初期支护后K5+730断面拱顶下沉时程曲线
第26卷 第4期 李二兵，等. 城市复杂条件下浅埋大跨双连拱隧道施工变形监测与控制 • 837 •
与现场揭示的右导洞所处的地质状况要好于左导洞是相吻合的。
(3) 隧洞的变形与断面形状有一定关系。中导洞以拱顶下沉为主；侧导洞为狭长形状，水平收敛值要比中导洞大。
(4) 由图7可看出：水平收敛位移比较大，且变形存在滞后效应，即初期支护结构已施作很长一段时间后变形才趋于稳定，此时掌子面已推进到离监测断面大于9倍洞径之多，而一般隧道当掌子面推进到2倍洞径时，收敛基本稳定
[10]
。原因是该段
隧道地质条件很差，围岩主要为泥质粉砂强风化岩、亚黏土及淤泥质亚黏土，亚黏土为软塑状态，具有很强的流变性质，围岩介质固有的这种流变性质使围岩的变形随时间的推移不断发展并逐步趋于稳定。由此可见，在软弱地层中，隧道围岩变形存在滞后效应，且时间效应要比空间效应明显得多，应做好超前预支护增强围岩承载能力和把握好二次衬砌的施作时间。 4.1.2 正洞变形结果分析
在隧道施工过程中，分别对正洞初期支护和二次衬砌后进行了拱顶下沉和收敛监测，所用仪器和断面间隔见表1，测点布置见图3。正洞初期支护后水平收敛和拱顶下沉统计结果分别见表3和4；二次衬砌后周边收敛统计结果见表5，二次衬砌后拱顶下沉纵向分布曲线见图8。
表3 正洞初期支护后水平收敛统计结果
Table 3 Statistical results of horizontal convergement of main tunnels after preliminary support mm
位置 水平收敛位移平均值
水平收敛位移最大值
左正洞 4.15 5.21 右正洞
2.84 4.48
表4 正洞初期支护后拱顶下沉统计结果
Table 4 Statistical results of crown settlement of main tunnels after preliminary support mm
位置 拱顶下沉平均值
拱顶下沉最大值
左正洞 19.45 35.32 右正洞
14.13 24.86
表5 正洞二次衬砌周边收敛统计结果
Table 5 Statistical results of circumferential convergement of main tunnels after secondary lining mm
位置 测线1 测线2 测线3 平均值
最大值
平均值
最大值
平均值
最大值
左正洞 4.04 7.99 4.15 7.77 4.32 8.97 右正洞
2.49 5.33 3.08 5.26 3.12 4.90
里程
K5+500
0K5+550
K5+600 K5+650 K5+700K5+750
2 VI类
围岩 V类围岩mm4 /量IV沉 类围岩 下6左正洞二次衬砌 8右正洞二次衬砌 10
图8 正洞二次衬砌后拱顶下沉纵向分布曲线 Fig.8 Longitudinal distribution curves of crown settlement of
mail tunnel after secondary lining
由以上图表分析可知：
(1) 正洞的拱顶下沉比较大，而水平收敛相对比较小。在3个导洞开挖完毕后，施作了中墙和左、右边墙的二次衬砌，在进行正洞开挖时主要进行拱顶支护，隧道变形主要表现为拱顶下沉，这与监测结果是相吻合的。
(2) 由于设计要求拱顶二次衬砌及时跟进，拱顶初期支护未处于完全稳定状态，未释放的荷载对二次衬砌产生压力。但从二次衬砌变形的统计图表来看，周边收敛和拱顶沉降值都比较小，表明初期支护和二次衬砌设计是合理和有效的。 4.2 地表环境监测结果分析 4.2.1 地表沉降监测分析
在隧道出洞口段地表布设了2条沉降测线，并对附近建筑物和明城路进行了二等水准沉降观测。测量过程中部分测点破坏，测点最终平面布置如图4所示。部分测点累计沉降见表6，K5＋738断
面各测点地表沉降随时间的发展曲线见图9。
表6 部分测点累计沉降
Table 6 Cumulative settlement of partial measuring points
测点累计沉降s/mm
测点累计沉降s/mm 测点 累计沉降s/mm
S113.00 S1121.00 C7 91.57 S2
15.00 S1221.00 C8 88.11 S3193.00 S1313.00 C9 10.33 S4237.00 S15123.00 C10
4.54 S5366.00 S16163.00
C11 2.29 S6207.00 C37.50 C12 6.13 S717.00 C47.51 C13 6.20 S91.00 C5216.44 C14
6.98
S10
8.00 C6147.14 C15 5.14
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S1 S2 S3
测点 0S4
S5
S6 S7－50 －100 mm－150 /降沉－2002月10日 表地－2502月21日 3月3日 －3003月12日 －3503月17日 3月29日 －400右边线 隧道中线 左边线 图9 K5+738断面各测点地表沉降随时间的发展曲线 Fig.9 Developing curves of ground settlement of measuring
points on section K5+738 with time
由以上地表沉降监测结果统计图表可知： (1) 地质条件越差，地表沉降越大，沉降主要集中在出洞口30 m范围内，这与洞内变形监测结果是一致的。由此可见，地表沉降也是判断周围地层稳定性的一个重要标志，其监测结果能反映隧洞开挖过程中围岩介质变形的全过程。
(2) 地表沉降在隧道中线位置最大，两侧逐渐减小，大致呈漏斗状，沉降范围超过开挖跨度。
(3) 当隧道埋深较浅，且地质条件较差时，地表沉降受地面荷载影响很明显。这就要求在浅埋段，隧道上方有建筑物时，隧道开挖要及时施作初期支护，必要时需要考虑设置格栅拱架，如不能制止沉降则需要考虑注浆加固地层，避免塌方。 4.2.2 古城墙变形监测分析
对明古城墙进行了位移监测和二等水准沉降观测，测点布置见图4，古城墙测点累计沉降见表7，部分测点位移时程曲线如图10所示。
表7 古城墙测点累计沉降
Table 7 Cumulative settlements of measuring points on
ancient rampart
测点 累计沉降/mm
测点 累计沉降/mm
W1 －1.87 W6 －2.86 W2 －2.51 W7 －1.65 W3 －2.94 W8 －2.93 W4 －1.53 W9 －3.34 W5
－1.54
W10 －1.17
从图10可知，古城墙位移随时间增加而趋于平缓，
其中3～4月份增加值比较大，此时中导洞，左、
8 7D2 6D3 D5 mD6 m5/D9 移位4D11 计累3 2 1 0 15158261210223500005 20234400055555500000000222 0000002222日期
/年月日
图10 古城墙部分测点位移时程曲线
Fig.10 Time-hostory curves of displacement of partial
measuring points on ancient rampart
右侧导洞相继通过古城墙底下。说明虽然此段隧道 围岩级别为IV级，但隧道施工能引起古城墙底覆土顺基岩面滑动。施工时根据这些反馈信息及时调整了施工方案，并对古城墙采取加固措施以保证古城墙的安全。
5 变形控制措施
隧道在施工过程中，中导洞和侧导洞均发生过较大的变形，初期支护结构出现裂缝甚至局部破坏。特别是在隧道出洞口段，由于地质条件极差，地表沉降及洞内拱顶沉降、收敛变位都很大，在离洞口15～30 m处出现多处裂缝，最大达到3 cm。通过现场监测资料的反馈信息，施工中采取了以下工程措施达到了控制大变形的效果：
(1) 针对出洞口段导洞开挖过程中变形比较大的情况，对洞周2～3 m内围岩用水泥–水玻璃双液浆进行系统径向注浆加固，并在大管棚基础上，再用超前小导管加固工作面前方围岩，以改善支护的受力条件，限制过大变形。
(2) 严格控制每循环进尺和台阶长度，施工中尽量减少对围岩的扰动，在洞口段采用掘进机或人工开挖，洞身段爆破开挖时，采取短进尺、弱爆破的方式进行。
(3) 在钢架拱脚处采用注浆锚管进行加固。考虑到侧导洞施工对中导洞影响比较大，采用4 m长φ 70 mm钢花管高压注浆对中导洞基底进行加固，避免了基底隆起和开裂。
(4) 开挖成形后及时进行初期支护，扣紧工序
第26卷 第4期 李二兵，等. 城市复杂条件下浅埋大跨双连拱隧道施工变形监测与控制 • 839 •
衔接，尽早施作仰拱，形成封闭环。封闭支护结构是改善结构受力、抑制隧道变形的有效途径。仰拱及时封闭是隧道施工安全的保证，监测资料表明：在施工完成二次衬砌到仰拱封闭前，下沉量比较大，仰拱封闭后达到基本稳定。
(5) 根据监测反馈信息，为了更好地保护明古城墙，采取了地面加固和洞内加强的工程措施，即在古城墙前方地面设置4排地面加固微型钢管桩，洞内拱顶设置超前小导管注浆预支护，如图11所示。从明城墙整个监测结果来看，古城墙是安全的，同时也验证了图
11所示加固措施的必要性和有效性。
m/程高
图11 古城墙加固示意图
Fig.11 Sketch of reinforcement for ancient rampart
6 结 论
(1) 连拱隧道开挖跨度大，施工工序繁多，开挖和支护相互交错，施工过程中变形和稳定控制因难。九华山隧道的变形监测表明，只有通过监控量测掌握地面和洞内的变形状态，依据反馈的实测数据修正设计参数和施工工序，采取及时有效的辅助加强措施，才能保证洞内施工和周边环境的安全。
(2) 隧道支护结构的变形和稳定时间与所处的地质条件有很大关系，围岩越差，变形越大，稳定时间也越长。软弱地层中，变形存在滞后效应，且时间效应比空间效应明显。
(3) 对于九华山隧道出口段这样的软弱地层中的大跨浅埋双连拱隧道，由于拱顶围岩自承能力很差，即使有相当坚固的初期支护，想靠它达到拱顶围岩完全趋于稳定是非常困难的。因此，及时施作二次衬砌，并尽快封闭成环是十分重要的。 参考文献(References)：
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