監控量測技術在公路隧道病害反演分析中的應用

張守成,關惠平,寇智勇,張照旭,丁石谷

(1.西南石油大學建筑工程學院,四川成都 610500;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106; 3.中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122;4.中國石油西氣東輸管道公司豫鄂管理處,湖北武漢 430073)

0 引 言

隨著我國公路、鐵路的快速發展,新奧法(New Austrian Tunneling Method,NATM)在隧道施工中已得到廣泛應用[1],其技術核心是運用不同的開挖方法、支護形式、測量及地層預處理等各種手段來控制隧道圍巖變化,以最大限度地利用圍巖自身的承載能力,并通過對現場量測數據分析來判斷圍巖變位穩定狀態,以此修訂和完善支護結構設計,使隧道施工更加安全[2,3].因此,在隧道開挖過程中通過對其圍巖性狀實施監測,并對監測數據進行分析和綜合判斷,是進一步指導施工、完善設計,保證施工安全和順利進行的重要技術環節和過程.本文針對四川廣元至巴中高速公路某隧道洞口施工過程中出現的工程病害,從地形與地質因素、氣候因素、施工因素3個方面,分析了該隧道左線巴中端洞口施工中產生隧道邊、仰坡失穩,隧道初期支護變形、開裂、滲漏等病害主要原因,并根據監控量測數據,反演了隧道病害發生全過程,總結了特殊地段公路隧道開挖方法與監控量測技術中需要特別注意的有關問題,為隧道施工及隧道監控量測提供可借鑒的科學依據.

1 隧道工程概況

公路工程施工隧道位于四川省巴中市巴州區,屬雙線越嶺隧道,左線里程樁號為 K134+113～K134+884,右線里程樁號為YK134+120～YK134+ 914.隧址區地層可分為兩大類:一類是第四系全新統崩坡積層(Qc+d14),另一類為白堊系下統劍門關組(K1j).第四系全新統崩坡積層(Qc+d14)主要分布在隧道進、出口段斜坡及洞身陡崖崖腳及斜坡一帶,其巖性主要為褐紅色、褐灰色的低液限粘土,多呈軟塑～硬塑狀,粘粒含量較高,局部可見碎石,其成分為砂巖和粉砂質泥巖.白堊系下統劍門關組(K1j)主要分布在隧道基底,巖性多表現為紫紅色粉砂質泥巖及灰白色砂巖不等厚互層[4].

2 隧道監控量測斷面布設原則

根據《公路隧道施工技術規范》(JT J042-94)和工程經驗,隧道位移監測斷面布設的縱向間距及平面圖可參照表1所示.

表1 隧道位移監測斷面布設間距及平面圖

根據測點布設平面圖,周邊位移量測布設具體方法為:隧道上導坑開挖時布設1、2、3號測點,形成A、B、C 3條測線,下端面開挖時布設4、5點,形成D、E、F 3條測線,隧道采用全斷面開挖時只需布設3、4、5測點即可.同時,拱頂下沉量測布設具體方法為:在3點位置處掛鋼卷尺,通過水準儀及在隧道水準點豎水準尺,監測隧道拱頂下沉值.

3 隧道洞口病害及成因分析

3.1 隧道洞口病害綜述

該隧道左線巴中端在進洞施工過程中,邊、仰坡于2007年6月17日晚出現明顯失穩、滑塌現象,洞頂截排水溝多處被拉裂,隧道邊、仰坡砂漿錨桿掛鋼筋網濕噴混凝土防護面層出現嚴重開裂剝落現象, ZK134+868斷面和ZK134+860斷面收斂變形急劇加大,洞口端ZK134+869～ZK134+862段初期支護出現較寬裂縫6條,噴護混凝土出現脫落,部分型鋼鋼架外露,洞內出現嚴重滲水.

3.2 隧道洞口病害分析

3.2.1 地形地質因素.

(1)隧道出口地形坡度稍緩,呈緩斜坡臺階狀,總體坡度約為15°～20°,并被低矮灌木、雜草、樹木覆蓋,造成隧道地表排水困難.

(2)隧道出口端ZK134+804～869段為隧道淺埋地段,地層為第四系全新統崩坡積層(Qc+d14),主要為塊碎石狀低液限粘土,開挖后圍巖自穩性差,易坍塌.尤其是隧道出口端ZK134+855～869,其最大埋深僅為7.5 m,處于塑性范圍區,圍巖主要為含塊碎石粘土的松軟散體結構,易受水影響浸泡軟化、崩解,極易產生邊仰坡裂縫、滑塌、失穩等病害.

3.2.2 氣候因素.

隧道左線ZK134+804～869段施工開挖時正值雨季,2007年6月14日～19日,持續數日的強降雨致使原本較致密干燥的土體快速軟化、容重增大,因拱頂下沉引起的隧道地表沉降急劇增加,邊仰坡出現失穩、滑塌,導致洞口上方截排水溝嚴重受損,且地表多處出現張裂縫,洞內部分地段初期支護出現嚴重滲漏水并產生開裂現象.

3.2.3 施工因素.

隧道病害發生前,施工方對不良地質條件下隧道施工可能引發的工程病害重視程度不夠,主要表現在:

(1)在隧道洞口施工時,施工方未對洞頂地表特別是截排水溝附近妨礙導排水的雜草物等做完全清理,對洞頂的原有地表裂隙未加封堵,使得降水侵入土體的機會大大增加.

(2)施工方對病害前期征兆和監控預測認識不足,病害處理不徹底.2007年4月15日,該隧道邊仰坡發生輕微失穩現象,洞頂地表出現了數道裂縫,漿砌導流截水溝出現擠壓變形,仰坡砂漿錨桿掛鋼筋網濕噴混凝土防護面層出現開裂剝離現象.在未認真分析事故發生原因的情況下,施工方僅對隧道仰坡重新噴射了一層混凝土防護面層,此措施未能從根本消除病害隱患.

(3)施工方對氣候變化的影響認識不夠充分,對隧道水害的防治和險情處理的緊急措施缺乏有效的應對方案,最終導致2007年6月份連續幾天強降雨后隧道邊仰坡再次出現嚴重失穩、滑塌.

4 監控量測在病害發生過程中的應用

由于淺埋隧道或隧道淺埋地段的上覆土大部分處在塑性區范圍內,故為了保證隧道進洞開挖過程中的安全及工程質量,在洞口開挖時,必須盡快在相應位置處布設地表下沉觀測斷面、隧道周邊位移監測斷面及拱頂下沉監測斷面,以實時掌握隧道邊仰坡及隧道圍巖的穩定狀態.

據此原則,該隧道左線洞口準備開挖時,我們在里程ZK134+868及ZK134+860處布設兩處地表下沉監測斷面(布置位置如圖1所示),并在開挖過程中及時在ZK134+868及ZK134+860布設兩處周邊位移和拱頂下沉監測斷面.ZK134+868地表下沉監測斷面、ZK134+868周邊位移及拱頂下沉監測斷面4月份及6月份的監測數據如圖2所示.

根據圖2所示現場監測數據可以看出,病害發生前后,地表沉降變化過程、周邊位移變化過程、拱頂下沉變化過程均呈現出:快速變化(OA段)——緩慢趨穩(AB段)——急劇變化(BC段)——緩慢趨穩(CD段)——急劇變化(DE段)——緩慢趨穩(EF段)”6個階段(見圖3).

6個階段所對應隧道圍巖變化情況如下:

(1)快速變化階段(OA段).OA段為隧道洞口開挖后,圍巖在應力重分布下,充填物的壓縮密實(結構面的閉合)而產生的.

(2)急劇變化階段(BC、DE段).BC段為隧道在繼續開挖過程中,由于對周邊巖土體擾動太大,造成隧道邊仰坡由穩定狀態到出現第一次輕微失穩,進而影響到隧道圍巖的穩定性,使監測斷面數據的數據出現較大變化.DE段為2007年6月14日～6月19日連續的幾天強降雨使基本處于穩定狀態的邊仰坡再次出現嚴重失穩滑塌情況,原本穩定的隧道圍巖在雨水侵蝕下,自重增加,巖土體及錨噴支護之間的結合力、摩擦力顯著降低,洞周收斂急劇增大,隧道初期支護開始變形、開裂并出現嚴重滲漏水現象.

圖1 隧道左線巴中端地表下沉監測斷面布設圖

圖2 K134+868斷面累計地表下沉、拱頂下沉、周邊收斂位移時態曲線圖

(3)緩慢趨穩階段(AB、CD、EF段).隧道邊仰坡及圍巖在采取整治措施后,由不穩定狀態逐漸趨于穩定,各監測斷面的收斂數據逐步趨于定值.

在這次隧道病害的發生過程中,監控量測在及早發現病害方面起到了非常重要的作用.2007年4月16日,我們在實施量測的過程中,發現隧道邊仰坡處混凝土護層出現有輕微裂縫,ZK134+868斷面監測數據有增大趨勢,位移—時間曲線d2u/d2t＞0 (u為位移,t為時間),當即做出預報,使病害在初發期就得到有效控制;2007年6月15日,ZK134+ 868斷面周邊位移、拱頂下沉監測數據明顯增大,并在隧道邊仰坡處發現混凝土面層有裂隙、裂縫,且仰坡底部混凝土面層下部有渾濁的泥水流出,立即做出快報,不久斷面ZK134+868實測變形速率分別就高達35 mm/d及20 mm/d,洞內初期支護出現幾道寬1～2 cm的裂隙,部分工字鋼外漏,立即通知施工方停止掘進.施工方進行工程處理后,量測數據表明變形速率明顯下降,圍巖趨于穩定.

5 結 論

(1)對于工程監控量測方,隧道在進出洞開挖施工時,一定要及時并嚴格做好地表沉降監測、周邊位移監測和拱頂下沉監測.地表沉降監測斷面要在隧道進出洞開挖前埋設好,地表沉降、周邊位移和拱頂下沉監測斷面應盡量布設在同一斷面里程處,這有利于數據的比對分析.同時,還要加強對隧道的觀察與觀測,認真觀察隧道邊仰坡、初期支護、掌子面地質狀況等變化情況,特別是對異常監測數據一定要注意結合現場的觀察情況認真進行分析,找出原因.

(2)對于隧道施工單位,在洞口段土石方開挖時,一定要注意維護坡面的穩定,每班次開工前、收工后都必須對邊仰坡面、坡頂、洞頂截排水溝及其周圍進行認真檢查,一旦發現有裂隙和塌方征兆或有危石、危土時應立即處理.同時,邊仰坡開挖施工時要按自上而下的順序進行,堅決禁止掏底開挖,并要做好截、排水工作,保持排水系統通暢,且與原有的水利設施相連通,必要時可拓寬加深截排水溝.

總之,對隧道淺埋段開挖時應嚴格執行“弱爆破、短開挖、快排水、強支護、早封閉、勤量測”的原則,才能確保隧道質量及施工安全.

[1]關惠平,熊俊楠,陶雙江,等.近水平巖層隧道圍巖變形監測及其穩定性分析[J].巖礦測試,2008,27(5):357-362.

[2]陳小雄.現代隧道工程理論與隧道施工[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[3]朱漢華,孫月紅,楊建輝.公路隧道圍巖穩定與支護技術[M].北京:科學出版社社,2007.

[4]四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院.廣元至巴中高速公路18合同段兩階段施工圖設計[R].成都:四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院,2006.

[5]林說平,王昭椿,劉 輝.不良地質條件下連拱隧道施工病害處理[J].公路與汽運,2007,23(4):179-184.