岩石力学与工程学报 Vol.28 No.9
2009年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009
特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究
周丁恒1，曲海锋2，蔡永昌1，曹力桥3，杨宏伟4
(1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2. 上海投资咨询公司，上海 200003；
3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；4. 上海市政工程设计研究总院，上海 200092)
摘要：结合广州龙头山双洞八车道高速公路隧道工程实践，对特大断面大跨度隧道施工中围岩变形进行相关监测，分析变形随时间变化规律、不同开挖工序引起的纵向和径向空间围岩变形规律。研究结果表明：特大断面大跨度隧道采用双侧壁导洞法施工，能较好地控制围岩变形；在特大断面大跨度隧道施工过程中，右导洞上台阶、左导洞下台阶以及核心土开挖对围岩变形影响较大，是施工主要控制点；特大断面大跨度隧道开挖的纵向影响距离大致为一倍洞径左右，与导洞跨度基本相同，为6～8 m；洞顶垂直向径向影响距离约为25 m，左导洞顶30°方向的径向影响距离约为15 m。该研究结论可为类似条件下特大断面大跨度隧道设计施工和现场监测提供借鉴与参考。
关键词：隧道工程；特大断面；大跨度；围岩变形；现场试验
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)09–1773–10
IN-SITU TEST ON SURROUNDING ROCK DEFORMATION IN SUPER-
LARGE SECTION AND LARGE-SPAN TUNNEL
ZHOU Dingheng1，QU Haifeng2，CAI Yongchang1，CAO Liqiao3，YANG Hongwei4
(1. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2. Shanghai Investment Consulting Corporation，Shanghai200003，China；3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei430063，
China；4. Shanghai Municipal Engineering Design General Institute，Shanghai200092，China)
Abstract：According to construction of Longtoushan two bores and eight lanes tunnel with super-large section and span in Guangzhou，the monitoring of surrounding rock deformation was carried out. Based on the measured data，the law of the deformation varying with time and the longitudinal and radial incidences of different construction procedures were analyzed. It is shown that the surrounding rock deformation can be better controlled using the two-side pilot drifting method. During the construction of super-large section and span tunnel，the excavation of the upper bench in the right drift，the down bench in the left drift and core rock have great influence on surrounding rock deformation，which are the main stages to control the surrounding rock deformation. The longitudinal incidence of the excavation of the super-large section and span tunnel is about one time of the drift diameter，about 6 to 8 m. And the radial incidence in the vertical direction of the ceiling is about 25 m and radial incidence in the 30° direction of the ceiling in the left drift is about 15 m. The experience and conclusions presented can be used as reference in the design，construction and site monitoring of similar tunnels.
Key words：tunnelling engineering；super-large section；large-span；surrounding rock deformation；in-situ test
收稿日期：2009–01–24；修回日期：2009–04–01
作者简介：周丁恒(1984–)，男，2006年毕业于中国地质大学(武汉)地下建筑工程专业，现为博士研究生，主要从事隧道及地下工程方面研究工作。E-mail：zhoudingheng615@hotmail.com
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1 引 言
特大断面大跨度公路隧道具有断面面积大、跨度大以及扁平率低等特点，是近几年为适应多车道高速公路建设而发展起来的一种隧道形式。全国各地已建成不少大断面大跨度隧道，在大断面大跨度隧道围岩和衬砌的受力、变形及稳定性研究等方面都有了新的发展与提高，主要集中在施工方法的数值模拟、模型试验及现场试验等方面，如黄生文等[1
～6]
对大断面大跨度隧道施工方法及施工力学行
为进行了数值模拟；梁 巍等[7
～14]
对大断面大跨度隧
道施工中围岩变形、锚杆力学行为及振动响应等方面进行了现场测试分析；陈耕野等[15]针对四车道大断面隧道施工进行了应力测试分析。目前，对大断面大跨度隧道尚未形成统一的设计与施工标准，主要研究对象为三车道隧道，对于四车道隧道，目前研究还较少，尤其是四车道隧道围岩变形研究基本处于空白状态。四车道隧道比三车道隧道在断面面积、跨度及扁平率上有着明显的差异，使得四车道隧道围岩和衬砌的受力、变形及稳定和三车道隧道有很大的差别，不能简单用三车道隧道的相关理论来进行四车道隧道的研究，需对四车道隧道进行深入研究。
此外，由于隧道开挖跨度大、扁平率低，施工工序转换复杂，多次爆破开挖对围岩造成多次扰动，特别是核心土受力尤为复杂。因此，采用现场试验的手段，及时反馈围岩及衬砌受力及变形状况，是当前四车道特大断面大跨度公路隧道建设中的重要研究课题之一。
2 工程背景
广州龙头山隧道属双洞八车道公路隧道)，始建于2005年1月，于2006年5月贯通，是京珠国道主干线绕广州公路东环段的引线工程，设计正常运营车速为100 km/h。隧道左线长1 010 m，右线长1 006 m，两洞间距为25 m，包含有II～V级别围岩段。隧道最大埋深98 m，最大开挖宽度20.7 m，最大开挖高度13.58 m。
龙头山隧道设计断面与施工顺序如图1所示，开挖以左导洞超前(分上下台阶)，右导洞次之(分上下台阶)，核心土开挖最后(分三步开挖)。现场开挖工序调整为：
左导洞上台阶开挖(1)→右导洞上台阶
5
13 6 2
4
7
图1 隧道设计断面与施工顺序
Fig.1 Designed tunnel section and construction procedure
开挖(2)→右导洞下台阶开挖(3)→左导洞下台阶开挖(4)→核心土上台阶开挖(5)→核心土下台阶开挖(6)。结构设计为复合衬砌，以锚杆湿喷钢纤维混凝土等为初期支护，并辅以钢支撑，注浆小导管等支护措施。
3 现场试验
3.1 试验方案
现场试验方案设计的论证起始于2005年5月中旬，经过1个月的现场调查后，最终决定在进口左线K5+870及K5+890断面共计埋设6套多点位移计。选址于此段的原因在于：(1) 该处地势相对较缓，地表植被略为稀疏、孤石相对较少，距离电源和水源较近，相比之下方便钻孔施工；(2) 覆土厚度为35～50 m，洞内围岩条件为V级向IV级的过渡段，围岩的内部位移量层次分明，岩体能够形成压力拱；(3) 此时隧道内左线掌子面位于K5+845，距离设计断面较远，且于2005年7月19日停止开挖(9月10日恢复施工，但此时多点位移计已经全部安装完成)，因此安装工作不受洞内施工干扰。
通过详细地表放样和勘察后，结合实际地形情况和估算的松动区范围，提出龙头山隧道多点位移计的设计方案见图2。图2中：(1) 钻孔①，②打穿至隧道顶；其他钻孔距离隧道顶部1.5 m；(2) 多点位移计长度：① 31，28，22，14 m；② 35，32，28，22，12 m；③ 40，36，30，20 m；④ 39，37，31，21 m；⑤ 43，40，36，30，18 m；⑥ 52，48，42，34，24 m；(3) 布点原则：考虑到松动区范围可能在1倍洞径左右，因此钻孔①，③，④的测点均在径向20 m以内布设完毕；钻孔②，⑤，⑥布设了5个测点，目的是考查一倍洞径以外的位移量；测点布设以发散性原则；各测点之间的距离不全部相同，目的是考查洞径方向不同距离的位移量。
第28卷 第9期 周丁恒，等. 特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究 • 1775 •
单位：m
(a)K5+870断面 (b)K5+888断面
图2 龙头山隧道多点位移计设计方案
Fig.2 Design of the multipoint extensometers in Longtoushan tunnel
根据经验及理论估算，松动区的最大边界应在1倍洞径左右(20 m)，因此多点位移计的最远端测点设计为距离洞顶24 m；为避免爆破对位移计产生影响，最近端测点距离隧道设计开挖线1.5 m；由于靠近洞室的围岩变形大，远离洞室的围岩变形小，因此每套位移计的测点采用渐进模式进行布设；同一断面2套位移计的不同测点错开布设，以得到不同径向深度的围岩内部变形。 3.2 钻孔及安装
多点位移计采用江苏金坛土木工程仪器厂生产的VWD–50型位移计。地质钻孔开始于2005年6月28日，结束于7月15日，采用精度为1″的Leica全站仪进行多点位移计的孔位放样。最终孔位的落点精度为1 m。
由于组装后的多点位移计柔度较大，且长度在35 m以上，为避免损坏和安装的顺利进行，制订了详细的安装计划和流程，如钻孔完成后应立即安装多点位移计，可避免塌孔造成的安装困难。由于施工谨慎，安装及时，人员到位，从2005年7月20日～9月5日，历时45 d，钻孔施工和6套多点位移计全部顺利安装完成，其落点亦都在允许范围之
4 试验结果分析
K5+870断面多点位移计在埋设过程中左线正加固处理，洞内未进行施工，处于静止未扰动状态，埋设过程没有受到施工的干扰，这对于围岩初始变形的采集和监测十分有利。
本文选取K5+870断面量测效果较好的第二、三套多点位移计进行分析。第二套多点位移计位于洞顶垂直方向，有5个测点，依次为测点A(1.5 m)，B(4.5 m)，C(8.5 m)，D(14.5 m)，E(24.5 m)；第三套多点位移计位于洞腰，且靠近洞顶，与垂直方向成30°，有4个测点，依次为测点A(1.5 m)，B(5.5 m)，C(11.5 m)，D(21.5 m)。
符号约定：正号表示沿多点位移计量测方向，围岩向洞内方向的变形量，即围岩位移发生沉降；未到达量测断面的掌子面方向为正；负号则与之相反。本文所提到的“量测断面”均指K5+870断面。 4.1 围岩位移与时间关系
图3为第二套多点位移计位移–时间曲线，图中曲线分别代表距离洞顶不同距离的测点随时间的变形情况。到2006年6月23日为止，各测点下沉已趋向稳定，测点A，B，C，D的当前累计测值分
内。
• 1776 • 岩石力学与工程学报 2009年
20 测点A 18 测点B 16 测点C 14 测点D 12 测点E 第III段mm/移10 位8 第II段6 第I段4 第IV段2 0 222111009110009102131132131900102122112334556011111000000000555555666666666000000000000000000000000000000222222222222222时间/年月日
图3 第二套多点位移计位移–时间曲线 Fig.3 Displacement-time curves of the second meter
别为－19.25，－9.58，－4.04，－2.02 mm。
从图3中可以看出，第二套多点位移计位移时间曲线存在4处突变段，即图中第I～IV段。这4处突变表明，当洞内不同开挖工序的掌子面到达量测断面时，由其引起的围岩松动位移。其中，第I和II段均是由右导洞上台阶掌子面开挖引起的位移突变。当右导洞上台阶掌子面至K5+873断面附近，
施工停止，由此引起第I段的位移突变；直到2006年1月18日，该掌子面又开始施工，从而引起第II段的位移突变。第III段位移突变是由左导洞下台阶掌子面开挖引起的位移突变。第IV段位移突变是由核心土掌子面开挖引起的位移突变。
图4为第三套多点位移计位移–时间曲线，图中曲线分别代表距离洞顶不同距离的测点随时间的变形情况。到2006年6月23日为止，测点A，B，C，D的累计测值分别为－16.46，－10.08，－4.04，
－2.05 mm。图
4中存在5处明显突变段。其中，第
I段是由左导洞上台阶掌子面开挖引起的位移突变；第II段均是由右导洞上台阶掌子面开挖引起的位移突变；第III段位移突变是由左导洞下台阶掌子面开挖引起的位移突变。第IV段位移突变由核心土
18
测点A 16第IV段
测点B 14测点C m12测点D
10第III段 m/移8 第II段 位6 第I段
第V段
4 2 0 222111009110009102102131132131900122112334556011111000000000555555666666666000000000000000000022220000000000022222222222时间 /年月日
图4 第三套多点位移计位移–时间曲线
Fig.4 Displacement-time curves of the third meter
上台阶掌子面开挖引起；第V段由核心土下台阶掌子面开挖引起。
比较图3，4可以看出：右导洞上台阶、左导洞下台阶、核心土开挖均引起了2套位移计测点的变化，表明上述位置的开挖对围岩稳定影响较大；右导洞下台阶开挖引起测点变化量不大，表明该处开挖对围岩的稳定性影响较小，不是主要控制点。
4.2 纵向空间影响分析
(1) 第二套多点位移计分析
① 左导洞上台阶开挖
图5为左导洞上台阶开挖引起的位移沉降与开
挖进尺曲线(图中开挖进尺表示导洞台阶掌子面至
量测断面的距离)。图中位移基本平稳，变化不大，该施工工序内，图3位移–时间曲线也未发生明显变化。由此可确定左导洞上台阶开挖，未引起距离洞顶1.5 m(测点A)以外的围岩松动。
2.0 测点A 测点B 测点C测点E 测点D 1.5 mm /移1.0位 0.5 0.0－303 6912开挖进尺
/m 图5 左导洞上台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.5 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the left drift(the second meter)
② 右导洞上台阶开挖
图6，7分别为右导洞上台阶开挖引起的位移、位移速率与开挖进尺曲线，均以2005年12月3日和12月19日为位移相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面9.00和－3.75 m。伴随开挖进尺，测点位移沉降量逐渐增加，当距离量测断面3 m左右时，测点A和B测值迅速增加，随后逐渐趋于平稳。该时间段内，测点A，B相对沉降分别为3.78，1.50 mm。图7中位移速率明显反映了这一变化。可确定右导洞上台阶开挖后，至少引起距离洞顶4.5 m的松动范围。沿隧道纵向方向的影响距离为6 m左右。
③ 右导洞下台阶开挖
第28卷 第9期 周丁恒，等. 特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究 • 1777 •
4.5 3.5 测点A m m2.5 测点B测点C /移测点位1.5 D 测点E 0.5 －0.5 －4－2 0 2 4开挖进尺
6 8 10
/m 图6 右导洞上台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.6 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the right drift(the second meter)
1.0 ) 测点A1－0.8·d测点Bm0.6 测点Cm(/率0.4 测点D速0.2测点E移 位0.0－0.2 －30 369 12开挖进尺
/m 图7 右导洞上台阶开挖位移速率与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.7 Displacement rate-drilling footage curves of the upper bench in the right drift(the second meter)
图8为右导洞下台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线，以2006年3月2日和3月18日为位移相 对零点和终点，掌子面距量测断面7.5和－4.5 m。图8中测点位移变化不大，仅在－0.1～0.3 mm范围内变化，可认为右导洞下台阶开挖，未继续引起洞顶松动区范围的增加。此时松动区范围与上台阶开挖后的松动区范围基本相同，即距离洞顶4.5 m(测点B)左右。
1.0 0.8测点A 测点B 测点C 测点D m0.6测点E m/移0.4 位0.20.0 －0.2 －4.5 －3.0 －1.5 0.0 1.5 3.0
4.5 6.07.5
开挖进尺
/m
图8 右导洞下台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.8 Displacement-drilling footage curves of the down bench in the right drift(the second meter)
④ 左导洞下台阶开挖
图9，10分别为左导洞下台阶开挖引起的位移、
6.0 5.0 测点A 测点B 4.0m 测点C m3.0/测点D 移 位2.0测点E 1.0 0.0 －1.0－7.0－3.50.0 3.5 7.0 10.5 开挖进尺
/m 图9 左导洞下台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.9 Displacement-drilling footage curves of the down bench
in the left drift(the second meter)
2.5 测点A )2.0 1－测点B d·1.5 测点C mm(1.0 测点D /率测点E 速0.5 移位0.0 －0.5－6.75
－3.75
－0.75
2.25 5.25 8.25
开挖进尺
/m 图10 左导洞下台阶开挖位移速率与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.10 Displacement rate-drilling footage curves of the up
stage in the left drift(the second meter)
位移速率与开挖进尺曲线。
图9，10均以2006年4月2日和22日为位移 相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面9.75和－6.75 m。伴随开挖进尺，测点位移沉降量逐渐增加，当距量测断面3 m左右时，测点A和B测值迅速增加，直到离开掌子面6 m后，逐渐趋于平稳，该段时间内，相对位移分别为5.59和2.43 mm。这一规律在图10中的位移速率得到体现。与右导洞上台阶开挖引起位移量相比，该处位移明显偏大。因此，当左导洞下台阶开挖完成后，洞顶松动区继续向外扩展，其影响范围应在距离洞顶4.5 m(测点B)至8.5 m(测点C)之间。沿隧道纵向方向的影响距离为7 m左右。
⑤ 核心土开挖
核心土上台阶开挖完成后，隧道洞内断面已经全部贯通。图11，12分别为核心土上台阶开挖引起的位移、位移速率与开挖进尺曲线。均以2006年4月25日和5月18日为位移相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面分别为13.50和－3.75 m。伴随开挖进尺，测点位移沉降量逐渐增加，当距离量测断面5 m左右时，测点A，B，C测值迅速增加，
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7 测点A 5 测点B m测点C m/移3 测点D位 测点E1 －1－6 －4－20 24 68 1012开挖进尺
/m
图11 核心土上台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.11 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the core rock(the second meter)
1.4 )1 测点A －d·1.0测点B m测点C m(/率0.6 测点D 速0.2 测点E 移位 －0.2 －4 －2 0 2 4 6 8 10 1214开挖进尺 /m
图12 核心土上台阶开挖位移速率与开挖进尺曲线
(第二套多点位移计)
Fig.12 Displacement rate-drilling footage curves of the upper bench in the core rock(the second meter)
随后测值逐渐趋于平稳，这段时间内，相对沉降分别为5.92，3.02，2.18 mm。显然，核心土上台阶开挖完成后，洞顶松动区继续向外扩展，其影响距离应大于8.5 m。沿隧道纵向方向的影响距离为6 m左右。
核心土下台阶的开挖未引起松动区范围的进一步发展，本文不再详述。
(2) 第三套多点位移计分析 ① 左导洞上台阶开挖
图13表明，左导洞上台阶开挖引起其测值的突
变。2005年11月23日，左导洞上台阶开挖至K5+862(距量测断面8 m)，此时围岩变形迅速增加；11月29日，掌子面开挖至K5+873(离开量测断面3 m)，测值逐渐趋于稳定；7 d之内，测点A沉降2.6 mm。图14在一定程度上反映了位移变化峰值距离掌子面的纵向空间距离，图中大约为5 m左右。因此，沿隧道纵向方向，左导洞上台阶开挖引起6 m范围位移松动区；沿洞顶30°方向，能够引起至少1.5 m以上的围岩松动范围。
② 右导洞上台阶开挖
3.0 2.5 m2.0测点Am/测点B移1.5 位测点C1.0 测点D0.5 0.0－303
691215开挖进尺
/m
图13 左导洞上台阶开挖引起的位移沉降与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.13 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the left drift(the third meter)
0.8 0.7 )1－0.6d·0.5 mm0.4 测点A( 测点B/率0.3速 测点C移0.2位0.1 测点D0.0 －0.1－303 691215开挖进尺
/m
图14 左导洞上台阶开挖引起位移速率与开挖进尺
曲线(第三套多点位移计)
Fig.14 Displacement rate-drilling footage curves of the upper bench in the left hole(the third meter)
图15，16中均以2005年12月3日和12月19日为位移相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面9.00和－3.75 m。可初步推断：沿隧道纵向方向，右导洞上台阶开挖引起6 m范围位移松动区；沿洞顶30°方向，能够引起至少5.5 m的围岩松动范围。
2.5 2.0 测点A m1.5 测点Bm/移1.0 测点C位0.5测点D 0.0－0.5 －4－20
2 4 6 8
10
开挖进尺
/m 图15 右导洞上台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.15 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the right drift(the third meter)
③ 右导洞下台阶开挖
第28卷 第9期 周丁恒，等. 特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究 • 1779 •
0.5测点A )10.4测点B －d测点C ·0.3m测点D m(/率0.2 速移0.1 位0.0
－0.1
－4
－2 0 2 4 6 8
10
开挖进尺
/m
图16 右导洞上台阶开挖的位移沉降速率与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.16 Displacement rate-drilling footage curves of the up
stage in the right drift(the third meter)
图17以2006年3月4日和3月18日为位移相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面分别为6.0和－4.5 m。图中测点位移沉降量变化不大，变化范围仅0.3 mm。因此，右导洞下台阶开挖没有继续引起洞顶松动区范围的增加。此时松动区范围与上台阶开挖的至少引起的松动区范围基本相同，即距离洞顶5.5 m(测点B)左右。
1.2 测点A 测点B 0.9测点C 测点D mm/ 移0.6位 0.3 0.0 －4.5 －3.0 －1.5 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0
开挖进尺
/m
图17 右导洞下台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.17 Displacement-drilling footage curves of the down
bench in the left drift(the third meter)
④ 左导洞下台阶开挖
图18，19分别以2006年3月29日和4月22日为位移相对零点和终点，此时掌子面分别距离量测断面12.00和－6.75 m。这段时间内，测点A，B，C的测值均有较大变化。可以初步推断：沿隧道纵向方向，左导洞下台阶开挖引起8 m范围位移松动区；沿洞顶30°方向，洞顶松动区继续向外扩展，其影响范围应在距离洞顶5.5 m(测点B)至11.5 m(测点C)之间。
⑤ 核心土开挖
图20以2006年4月27日和5月22日为位移 5 测点A4 测点B m测点Cm3 测点D/移位2 1 0 －8－40
4 8 12开挖进尺
/m 图18 左导洞下台阶开挖引起的位移与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.18 Displacement-drilling footage curves of the down
bench in the left drift(the third meter)
0.6 测点A )0.51－d·0.4 测点B 测点C mm0.3 测点D (/率0.2速 移0.1位 0.0－0.1 －6.75－3.75－0.75
2.25 5.25 8.25 11.2514.25开挖进尺
/m
图19 左导洞下台阶开挖的位移沉降速率与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.19 Displacement rate-drilling footage curves of the down
bench in the left drift(the third meter)
65 测点A 4m测点Bm3 测点C/移测点D位2 1 0－1 －6.75
－3.75－0.75
2.25 5.25 8.25 11.2514.25开挖进尺
/m
图20 核心土上台阶开挖引起位移与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.20 Displacement-drilling footage curves of the upper
bench in the core rock(the third meter)
相对零点和终点，此时掌子面分别距量测断面分别为12.00和－6.75 m。这段时间内，测点A，B，C的测值均有较大变化。可初步推断，当核心土上台阶开挖完成后，沿隧道纵向方向，左导洞下台阶开挖引起6 m范围位移松动区，沿洞顶30°方向，洞顶松动区继续向外扩展，其影响距离应在11.5 m(测点C)左右。
图21表明，核心土下台阶的开挖仅引起测点A
• 1780 • 岩石力学与工程学报 2009年
1.3 测点A )11.1 测点B － d·0.9 测点C m测点D m0.7 (/率0.5 速移0.3 位0.1 －0.1－6.75 －3.75 －0.75 2.25 5.25 8.25 11.2514.25开挖进尺
/m
图21 核心土上台阶开挖的位移速率与开挖进尺曲线
(第三套多点位移计)
Fig.21 Displacement rate-drilling footage curves of the upper bench in the core rock(the third meter)
测值的增加(1.1 mm)，而测点B以后测值未化。与上台阶相比，下台阶开挖影响范围很小，未引起松动区范围进一步增加。
(3) 分析与总结
将上述开挖工序引起的位移沉降量对比总结，如图22所示。图中①～⑥表示开挖顺序，图中数字表示测点A(距离洞室为1.5 m的多点位移计测点)的位移。
A ⑤ 5.2① ② 0.2 ⑥ 4.10.1 ④ 5.1 ③ 0.1 (a) 第二套位移计 A ⑤ 3.3① ② 2.6⑥ 1.81.1 ④ 4.3③ 0.1 单位：mm (b) 第三套位移计
图22 不同工序下位移计变形量
Fig.22 Displacement under different construction
procedures
图22中，洞内第③步开挖(右导洞下台阶)几乎均未能引起的2套位移计测点的沉降；第②，④，⑤步(右导洞上台阶、左导洞下台阶、核心土上台阶) 均引起相对较大的位移沉降；第①，③步(左导洞上台阶、右导洞上台阶)开挖，两套位移计测值存在波动，这是由于位移计的埋设位置与导洞位置之间的关系影响所致。
从图22可知：第一，下台阶开挖时，关键在于后者(本文为左导洞下台阶)，此时大部分围岩压力转移给核心土承担，而核心土作为岩土材料，必然发生较大变形，从而导致了洞顶已经松动的围岩变形继续突增。第二，核心土上台阶开挖也是关键步骤之一，此时围岩压力将转移给整个洞室承担，因此洞室发生较大沉降，从而使得已经松动的围岩变形继续增大，洞顶松动区范围增大。但是核心土引起的松动范围有限，对于远离核心土的侧导洞围岩体，核心土开挖引起的该岩体松动区的扩展程度不大。第三，核心土下台阶开挖对围岩松动区范围产生影响较小。
根据上述分析可以求得由导洞开挖引起的纵向空间影响范围，如表1所示。从表1可以看出，纵向的空间影响距离大致为1倍洞径左右，与导洞跨度基本相同。尽管导洞间工序繁多、复杂，但对于纵向空间相互之间的影响并非很大，表中的影响范
围为6～8 m。另外，最后开挖两侧导洞的下台阶开挖会使影响距离略有增大，但增幅很小，例如左导洞下台阶的影响距离比上台阶影响距离略大。此外，位移计与导洞之间的空间位置对量测结果影响较大，例如当左导洞上台阶开挖时，仅对距离其较近的第三套位移计有影响，而相对较远的第二套位移计未产生影响。
表1 导洞开挖引起的隧道纵向的空间影响范围 Table 1 Longitudinal incidence of the drift exvacation
开挖多点位移计测得的
导洞跨度 工序影响距离/m 第二套
第三套
/m
备注
左导洞上台阶0 6 7.4
仅影响第三套位移
计 右导洞上台阶6 6 7.4 右导洞下台阶0 0 7.4
对2套位移计均未产生影响 左导洞下台阶7 8 7.4 核心土上台阶
6 6 7.0
第28卷 第9期 周丁恒，等. 特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究 • 1781 •
4.3 径向空间影响分析
不同工序完成且变形稳定后，各测点位移如表2，3所示。
表2 不同工序完成后第二套多点位移计各测点位移 Table 2 Displacement of the points in the second multi-point
extensometer of different construction procedures
位移/mm
径向深度 左导上台阶 右导上台阶 右导下台阶 左导下台阶核心土
/m (2005年12(2005年12(2006年3(2006年4(2006年5
月2日) 月26日) 月18日) 月20日)月22日)1.5(测点A) 0.81 4.71 6.21 11.76 18.55 4.5(测点B) 0.32 1.97 3.04 5.42 8.92 8.5(测点C) 0.99 1.10 1.28 1.44 3.74 14.5(测点D) 0.94 0.93 1.13 1.14 1.30 24.5(测点E)
0.88
0.89
1.01
1.01
1.19
表3 不同工序完成后第三套多点位移计各测点位移 Table 3 Displacement of the points in the third multipoint
extensometer of different construction procedures
位移/mm
径向深度 左导上台右导上台右导下台左导下台核心土
/m 阶(2005年阶(2005年阶(2006年阶(2006年(2006年5
12月2日) 12月26日) 3月18日) 4月20日)月22日)1.5(测点A) 2.63 4.77 6.44 10.70 16.24 5.5(测点B) 1.16 3.08 4.65 7.10 9.93 11.5(测点C) 0.39 1.06 2.29 3.19 4.40 21.5(测点D)
0.20
0.53
1.39
1.45
1.77
比较表2，3可知，同一径向深度各点测值相差不大，这2套位移计的测值可以互相验证，同时亦可推断松动区大致以量测方向的交点为圆心向外辐射，边界为光滑连续的曲线。由表2，3分别绘制2套位移计随径向深度曲线(见图23，24)。
20 测点A 16 核心土开挖 左导下台阶开挖 mm12
右导下台阶开挖 /移测点B 位8 右导上台阶开挖 左导上台阶开挖 4测点C 测点D测点E00 5 10 15 20 25
径向深度
/m
图23 第二套位移计不同工序各测点位移与径向深度曲线 Fig.23 Displacement-radial depth curves of the second
multipoint extensometer
18 16测点A 14 核心土开挖 左导下台阶开挖 12m右导下台阶开挖m10测点B /移 右导上台阶开挖位86 左导上台阶开挖4测点 C 2 测点D00
10 2030
径向深度 /m
图24 第三套位移计不同工序各测点位移与径向深度曲线
Fig.24 Displacement-radial depth curves of the third
multipoint extensometer
5 结 论
四隧道特大断面大跨度公路隧道跨度大、扁平率低，施工工序转换复杂，多次爆破开挖对围岩造成多次扰动，尤其是核心土受力尤为复杂，及时反馈围岩变形状况是特大断面大跨度隧道稳定控制的关键。本文依据现场试验的系统分析，得到以下结论：
(1) 从现场试验围岩变形结果看，特大断面大跨度隧道IV，V级围岩段采用双侧壁导洞开挖是可行的，尽管其施工工序复杂，但可以较好地控制围岩变形。
(2) 从现场试验的结果来看，在特大断面大跨度隧道施工过程中，右导洞上台阶开挖、左导洞下台阶开挖以及核心土上台阶开挖引起围岩变形的明显突变，表明以上施工工序对隧道围岩变形影响较大，是围岩及支护变形的主要控制点，尤以左导洞下台阶及核心土上台阶开挖时，应力转移幅度大，变形量亦大，为施工变形及稳定性控制的重中之重。
(3) 特大断面大跨度隧道导洞开挖相互影响较小，其纵向影响距离大致为1倍洞径左右，与导洞
跨度基本相同，为6～8 m。洞顶垂直向的径向影响距离约为15 m，左导洞顶30°的径向影响距离约为25 m，可根据上述径向影响距离确定特大断面大跨度隧道围岩松动区。
(4) 与传统方法计算的一次性开挖形成的松动区对比可发现，双侧壁导洞开挖的特大断面大跨度隧道松动区要小，体现了分步分区域开挖对围岩扰动小的特点，同时也表明特大断面大跨度隧道研究时需考虑施工步效应，结合传统的隧道计算与研究方法。
• 1782 • 岩石力学与工程学报 2009年
(5) 特大断面大跨度隧道现场试验表明，洞口浅埋大跨段支护体系性能良好，反应了特大断面大跨度隧道洞口施工的稳定性，其施工方法及支护设计值得推广。
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