小凈距大斷面隧道邊坡信息化施工安全管理

鄭宏利

0 引言

隧道信息化施工,即在隧道施工中通過工程地質勘察、監測與評價不斷取得工程地質與水文地質以及圍巖受力、變形等測試資料的各類信息,將其反饋于設計之中,修改原設計參數,改進施工,并持續不斷地進行反饋和改進,主要由三部分組成:信息采集、信息處理、信息反饋。實質上是通過施工前和施工過程中的大量信息(情報)指導設計和施工,以期獲得最優地下結構的一種方法[1-4]。大跨徑、小凈距隧道的施工在山區高等級公路中被廣范應用。目前多車道大斷面公路隧道建設的設計和施工經驗均相對不足,需要在實踐中不斷摸索,提高設計和施工技術。本文所涉及的泉廈高速公路擴建工程大帽山隧道的施工,洞口隧道安全性尤其值得關注。

1 大斷面小凈距隧道邊坡信息化施工安全管理

針對隧道工程地質變化頻繁,不可預見因素多的特點,為及時、快速處理遇到的各種難題,贏得最佳處治時間,宜在高速公路建設管理單位的統一領導和安排下,成立由隧道建設管理、設計、施工、監理、監測等單位組成的隧道動態反饋設計和信息化施工決策機構(見圖 1),強化現場信息化管理。委托第三方監控單位實施監控量測,根據開挖的情況及時收集信息,業主匯總相關信息及時召集設計、監理、施工、監測單位代表,召開技術方案研討會,對施工現場出現的問題,決策機構“隨機應變”以“110”的速度趕到現場,查看、分析原因,迅速做出決策,制定處理措施,反饋到設計單位,以調整和修改支護參數;施工單位則依據反饋信息,采取相應的施工對策,進行信息化施工,使工程得到及時、快速、超前處理,確保工期和處治質量,杜絕重大事故的發生。

由于工程地質條件的差異性、復雜性,洞口邊仰坡的處理不能采取相同的處理措施。需要對影響隧道邊仰坡穩定的各種因素進行綜合分析,掌握隧道邊仰坡的發展動態,規避施工風險。

2 隧道邊坡變形管理預警機制

根據以往邊坡穩定性管理方面的經驗,邊坡沉降過程基本上可以分為五個階段,即初期沉降階段、平穩發展階段、過渡階段、加速沉降階段和破壞階段(見圖 2),并按階段進行管理。1)初期沉降階段相當于圖 2中的 0段～1段,隧道開挖引起圍巖擾動,圍巖開始變形,此時沉降的速率較大,隨著時間的增長,速率逐漸減小;2)平穩發展階段相當于 1段～2段,此時圍巖變形速率較小,但仍緩慢增長,變形基本上是由于圍巖的蠕變性質所造成的,本階段變形量并不是很大;3)過渡階段相當于 2段～3段,由于施工等因素的影響,圍巖變形由平穩發展過渡到緩慢增大,發展時間長短與圍巖性質有很大關系,軟弱圍巖在此階段持續時間較長,而脆性圍巖則有可能在極短的時間內出現圍巖失穩的現象;4)加速沉降階段相當于 3段～4段,此時圍巖位移變化速率較大,常常發生突變;5)破壞階段,當邊坡沉降量達到一定程度時,襯砌和圍巖將發生塌陷破壞。

3 工程實例

3.1 隧道概況

大帽山隧道為泉廈高速公路擴建隧道的其中一座,隧道左右線均位于線路直線段上,左、右線長度均為 600m。

擴建方案為在原兩洞之間新建一座四車道隧道,并將右洞擴建為四車道,形成了大斷面小凈距隧道群,從左至右有:原左洞兩車道隧道,新建四車道隧道和擴建四車道隧道。兩車道左線隧道與新建四車道隧道的行車道中線間距為 23.53m,新建與擴建四車道隧道的行車道中線間距為29.61m。新建隧道洞口段左右側壁距既有隧道側壁分別只有 5.89m和 8.83m,從小凈距隧道分類可以判斷為嚴重影響穩定的超小凈距隧道。

3.2 施工情況

大帽山隧道為大斷面小凈距隧道,最大毛洞開挖跨度為21.67m,結構按新奧法原理進行設計,采用復合襯砌。Ⅴ級圍巖地段,采用雙側壁導坑法開挖;Ⅳ級圍巖地段,采用單側壁導坑法開挖;Ⅱ級,Ⅲ級圍巖地段,采用上下臺階法開挖。新建隧道和既有隧道間距較近,爆破作業對相鄰隧道的穩定性有一定的影響,開挖采用微震爆破技術,嚴格控制爆破震動對隧道圍巖和相鄰隧道的影響。雙側壁導坑法斷面內的上下臺階長度不得大于 5m,左、右導坑錯開 8m～10m。開挖順序如圖 3所示。

3.3 洞口監測方案

針對左洞開挖過程中的實際情況,布設了 P1～P6六個測點,監測左洞開挖過程中的地表沉降情況。

3.4 地表仰坡沉降分析

地表沉降測點距洞口 16m,埋深不足10m。掌子面開挖到監測斷面 5m前,各測點產生沉降量較小;掌子面推進到監測斷面后,隧道輪廓范圍內測點沉降量明顯增大,下沉歷時約 70 d后趨于穩定。由圖 4,圖 5可見隧道軸線位置附近沉降明顯,兩側逐漸減小,大致呈漏斗狀,沉降影響范圍沒有到 3倍洞徑;基本是從洞底邊線作 45°角延伸到地面這一范圍。由于右導先行開挖,所以靠近右導范圍洞頂下沉量大于后開挖的左導坑,變形趨勢與圍巖應力釋放吻合。

從圖 6可看出,大帽山左線隧道進洞過程中,邊坡沉降總體位移量處于平穩發展階段,圍巖變形速率較小,但仍緩慢增長。

4 結語

本文建立了較為完善的大斷面小凈距隧道邊坡信息化施工安全管理系統,形成了在業主管理下聯合設計、施工、監理、監測單位的隧道邊坡信息化施工安全管理的聯動機制。本文以大帽山隧道為例,分析了隧道進洞過程中的邊坡變形特性,對同類工程具有參考價值。

[1]JTG D 70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社,1998.

[3]王建宇.隧道工程監測和信息化設計原理[M].北京:中國鐵道出版社,1990.

[4]李曉紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京:科學出版社,2002.