隧道塌方監測預警體系研究

王 玨

0 引言

由于塌方產生原因的多樣性,造成了塌方預測的巨大困難,但是,隨著大量工程數據和經驗的積累,土木工程實驗技術的日新月異,以及計算機科學和有限元數值模擬方法的飛速進步,特別是新奧法施工技術的廣泛應用以后,超前地質預報和工程監測以及施工反饋技術相結合,使得隧道塌方預警系統逐漸發展成為一門完善的系統。目前,關于隧道塌方預警預報體系的警戒值,國內外的相關隧道施工技術規范都有一定的規定。

規范規定:當位移—時間曲線出現反彎點時,則表明圍巖的支護已呈不穩定狀態,此時應密切監視圍巖動態,并加強支護,必要時暫停開挖[1]。隧道周壁任意點的實測相對位移值或用回歸分析推算的總相對位移值均小于規定數值。當位移速率無明顯下降,而此時實測位移值已接近該表所列數值,或噴層表面出現明顯裂縫時,應立即采取補強措施,并調整原支護設計參數或開挖方法。

1 塌方監測預警體系

根據公路隧道圍巖變形特性,本文設計了基于第一級預兆預警值和塌方預警值的兩階段五級報警體系,見表1。

表1 五級報警體系

2 塌方判斷體系和五級報警體系應用實例

某隧道為夾心連拱四車道高速公路短隧道,隧道出口左線掌子面圍巖主要為弱～微風化灰巖夾頁巖,薄～中厚層狀,局部巖芯見溶蝕痕跡,裂隙較發育,部分裂隙被方解石脈充填,脈寬一般為2 mm～5 mm。圍巖穩定性總體較好。覆蓋層中的淺層滑動現象較為常見,隧道洞口邊仰坡穩定性較差。出口右線掌子面圍巖主要為弱～微風化灰巖夾頁巖,厚層～巨厚層狀,局部巖芯見溶蝕痕跡,裂隙較發育,部分裂隙被方解石脈充填,開挖后穩定性較差。

隧道2007年9月8日凌晨在隧道進口左線K163+376～K163+440發生塌方,本文選取了處于塌方區的監測點ZK163+410處監測數據做位移與時間變化規律的分析(見圖1)。

根據隧道ZK163+410監測數據分析整理出各發展階段的洞周收斂相對值、最大收斂速率、最大負值收斂加速度、最大正值收斂加速度,如表2所示。

表2 隧道左線出口ZK163+410拱頂下沉詳表

根據第一趨穩階段判斷指標(Ⅳ級圍巖最大下沉速率小于第一階段最大下沉速率的1/20的同時最大收斂加速度為局部最大正值)和第二階段判斷指標(Ⅳ級圍巖最大下沉速率小于第一階段最大下沉速率的1/20的同時拱頂下沉相對值每日變化值小于-0.00001)可以迅速判斷出圍巖的第一階段和第二階段,根據第三階段判斷指標(Ⅳ級圍巖拱頂下沉相對值每日變化值小于-0.00005),曲線發展階段大致可以如下所示:

6月24日～7月 8日,第一階段,此時拱頂沉降的速率較大。

7月8日～7月21日,經歷第一趨穩階段進入第二階段,此時圍巖相對變小。

7月21日～8月2日,經歷第二趨穩階段進入過渡階段,需要注意的是第三階段持續13 d,比較短暫。

8月2日～8月 26日,第四階段,此時圍巖位移變化速率較大,進入突變階段,是塌方的第一級預兆。

8月26日～9月8日,此時最大下沉速率繼續增大,是塌方的預兆,意味著進入破壞階段,當拱頂下沉量達到一定程度時,襯砌和圍巖將發生塌陷破壞。

根據五級報警體系可以看出在第三階段處于第一級預警的第Ⅳ級報警等級,在第四階段處于塌方預警的第Ⅳ級報警等級(一個以上測線或測點達到預警值150%,變化速率連續三天超過5 mm/d),在第五階段處于塌方預警的第Ⅴ級報警等級(一個以上測線或測點達到預警值150%,變化速率連續三天超過8 mm/d)。

3 結語

通過對大量現場量測數據整理和分析,并且結合有關規范提出監控量測預警值和五級報警體系。以某隧道塌方作為工程實例,對基于監測曲線的塌方判斷體系和塌方預警值及五級報警體系進行工程驗證,結果證明監測曲線的塌方判斷體系可以準確判斷監測曲線的發展階段,塌方預警值及五級報警體系對隧道塌方具有較好的預警作用。

[1]JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2]任占彪.超前地質預報與監控量測在隧道中的應用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.