隧道淺埋段監控量測數據分析及冒頂預測

黨利民

隨著國民經濟的發展及隧道設計施工技術的不斷進步,國內公路隧道得到大量的建造。目前國內隧道設計及施工多依照新奧法原理,新奧法核心之一即是利用監控量測數據調整隧道支護參數及預測隧道施工安全。可見監控量測在隧道施工中有著舉足輕重的地位,當對監測數據如何進行預警目前主要有兩種分析方法:其一,通過累計變形量做一預測;其二,通過變形速率進行判斷[1]。方法一要求預先給出允許變形量,主要以經驗得到,方法二預警時間容易滯后。本文主要通過采集典型土質單線三車道隧道得到的地表監測數據進行分析,對隧道塌方冒頂做一定的預測及分析。

1 工程概況

本工程隧道所經過地區在區域構造上屬于粵中地塊,早古生代時期屬于加里東地槽褶皺帶,中、新生代屬于陸緣活化造山帶的一部分,出現了大面積的巖漿侵入。右線出口洞口段為淺埋,地質主要呈紅褐色、黃褐色、灰黃色、灰褐色,硬可塑,粘性差,為坡積土。隧道淺埋段開挖方式主要以雙側壁預留核心土開挖為主。

2 隧道右線洞內塌方情況

本工程隧道側壁導坑塌方發生在右線右側壁導坑和右線左側壁導坑位置,右線右側壁導坑塌方具體里程樁號為YK5+156,右線左側壁導坑塌方具體里程樁號為YK5+154,右線右側壁導坑塌方發生時間為2009年2月8日20時～2009年2月8日22時,右線左側壁導坑塌方發生時間為2009年2月9日15時～2009年2月9日17時。從現場量測及計算得到右線右側壁導坑塌方體高度 H=7.6 m,寬度 D=5.4 m,長度 L=6.6 m;從現場量測及計算得到右線左側壁導坑塌方體高度H=7.7 m,寬度D=5.5 m,長度 L=8.7 m。

對隧道開挖過程中圍巖受力模式改變較大,由于土體的坍塌勢必會導致側壁導坑拱頂產生一定的空洞區,類似橢球形,上下方向較大而橫向較小[2]。

3 監控量測采取措施

3.1 測點埋設

由于在核心土開挖過程存在整體下沉的可能,為監測隧道頂部地表下沉情況,在斷面YK5+156.5及斷面YK5+153對應地表位置共布設5個監測點。

3.2 監控量測數據采集及分析

從2009年12月12日開始采集數據,地表沉降觀測期間,通過對沉降曲線的分析,我項目部多次以電話和書面形式報告給業主、監理和施工單位,并引起相關單位一定的重視。具體沉降變化曲線見圖1。

從變化曲線看出,地表沉降主要分為四個階段:1)勻速變化:主要發生的日期為2009年2月13日～2009年2月 26日,這段時間地表沉降的變化主要以較小的速率(約1.0mm/d)增加。隧道右線側壁導坑發生塌方后,不穩定能量基本釋放完畢,隧道覆蓋層在無外力作用下處于勻速變化狀態,上覆土層不穩定。2)持續沉降:主要發生的日期為 2009年 2月 27日～2009年 3月 11日,這段時間隧道開始進入開挖塌方位置側壁導坑仰拱部位及側壁導坑掌子面正常施工,同時此段時間出現較平凡的降雨。雨水通過上覆土層空隙進入圍巖體內,使土體的抗剪強度明顯降低[3]。此階段地表便以約2.0mm/d速率沉降,累計變化量較大,危險信號出現。3)加速沉降:主要發生在2009年3月12日～2009年3月29日,此段時間地表主要以近3.0mm/d速率沉降,沉降曲線無收斂趨勢,危險信號非常明顯,隧道極易發生冒頂。土體受水體浸泡,抗剪強度進一步降低。4)破壞階段:發生在2009年3月 30日,由于上覆土體在外力(包括水)的作用下,土體強度降低,故上覆土體在最薄弱環節發生相對位移,進而塌陷冒頂發生。

上述綜合了地表沉降變化的相關信息,可以得到隧道上覆土體在發生塌陷冒頂前期,其給出的危險信號是比較明顯的。

考慮到此次隧道塌陷為隧道內部相同里程位置塌方后續發展,分析塌陷的主要原因如下:

1)從地質鉆探孔看出塌方位置的圍巖較差,主要以全風化及強風化混合巖為主,圍巖抗剪強度較低,粘聚力較小,破碎極其嚴重。2)由于前期塌方在上覆土層已經形成一個較大規模的空洞,施工過程在采取注漿等一系列措施時,空洞周圍由于圍巖密實,漿液很難跑到空洞之中,故此空洞是此次塌陷冒頂的主要內因[4]。3)隧道在施工掘進的過程中在一定的范圍內對上部土層存在一定的擾動,外動荷載的作用易引起土體發生緩慢的位移變化。同時隧道內部的開挖使圍巖受力模式及上部荷載傳遞途徑發生一定的變化,上部土層不同的受力情況使隧道上覆土層需達到應力平衡。4)從觀測的沉降曲線可以看出,水體對上覆土層的作用在地表沉降起到主導作用。雨水使土體的粘聚力減小,降低了土體的抗剪強度,在土體自身荷載作用下,空洞上部土體自重超出土體自身的抗剪力,故塌陷發生,水的作用是主要的外因。

上述主要分析了塌陷的主要原因,前期塌方出現的空洞為這次塌陷提供了必要條件,雨水的外力作用又給出了充分條件。

4 結語

通過本次冒頂事故的監控量測分析,可見監控量測可以有效的預測隧道淺埋段冒頂事故。通過對監測量控數據累計變化量結合變形速率判斷圍巖穩定性可以有效避免多次不合理預警。同時在文章內指出多雨地區在隧道施工過程中一定要注意雨水對隧道淺埋段圍巖物理力學性質的影響。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2] 賀 威.旗山形隧道塌方原因分析及處理技術[J].公路工程,2008(6):98-100.

[3] 陳亞林.隧道塌方原因與處理[J].西部探礦工程,2006,18(10):182-185.

[4] 將爵光.隧道工程地質[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[5] 李樹茂.茶林頂隧道工程地質綜合勘察[J].山西建筑,2008,34(19):310-311.