騾坪隧道施工圍巖變形監(jiān)測(cè)與分析

李章樹，張金鳳

(1.西華大學(xué) 建工學(xué)院，成都 610039;2.郫縣水務(wù)局，四川 郫縣 611730)

巫奉高速公路騾坪隧道為上、下行分離的四車道高速公路特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)4.5 km，騾坪隧道出口端位于重慶市巫山縣騾坪鎮(zhèn)風(fēng)嶺村，范圍為左線 ZK7+127.283—ZK9+292(全長(zhǎng)2 164.717 m)，右線 YK7+150—YK9+335(全長(zhǎng)2 185 m)，最大埋深約435 m，屬于特長(zhǎng)隧道。主要穿越圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水比較豐富。因此，為了充分發(fā)揮圍巖的自承能力，在經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)條件下保證圍巖的安全，需要在該隧道施工中實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，以根據(jù)量測(cè)結(jié)果分析調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工程的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)和信息化施工。監(jiān)控工作及其監(jiān)控量測(cè)結(jié)果的及時(shí)反饋就成為衡量設(shè)計(jì)、施工是否合理的一項(xiàng)重要工作[1]，通過施工監(jiān)控量測(cè)可以進(jìn)行信息及時(shí)反饋和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保隧道施工安全與質(zhì)量，提高工程的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。

1 監(jiān)測(cè)的目的

1)通過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，為評(píng)價(jià)和修改初期支護(hù)參數(shù)、力學(xué)分析及二次襯砌施作時(shí)間提供信息依據(jù);通過信息反饋及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)來優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量和工程項(xiàng)目的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

2)為科研項(xiàng)目提供第一手的信息，為節(jié)省工程投資，提高淺埋大跨城市交通隧道的修建水平提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證，積累資料，為今后的設(shè)計(jì)提供類比依據(jù)等。

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與測(cè)點(diǎn)設(shè)置

量測(cè)隧道斷面的收斂情況，包括量測(cè)拱頂下沉、周邊位移［2-4］以及底板鼓起。

隧道收斂位移量測(cè)是最基本的主要量測(cè)項(xiàng)目之一，各測(cè)點(diǎn)在避免爆破作業(yè)破壞測(cè)點(diǎn)的前提下，盡可能靠近工作面埋設(shè)，一般為距工作面0.5～2.0 m，并在下一次爆破循環(huán)前獲得初始讀數(shù)。初讀數(shù)在開挖后2 h內(nèi)讀取，最遲不超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值的讀數(shù)。

拱頂下沉量測(cè)是在各隧道開挖毛洞的拱頂及軸線左右各2 m處酌情布設(shè)1～3個(gè)帶掛鉤的錨樁(見圖1、圖2)，測(cè)樁埋設(shè)深度30 cm，鉆孔直徑 φ42 cm，用快凝水泥或早強(qiáng)錨固劑固定，測(cè)樁頭需設(shè)保護(hù)罩。通過一個(gè)測(cè)量相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，用水準(zhǔn)儀、垂向長(zhǎng)鋼卷尺等來量測(cè)拱頂下沉。

圖1 必測(cè)項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)斷面布置示意

圖2 必測(cè)項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)斷面布置示意

拱頂下沉和水平收斂量測(cè)斷面的間距為:Ⅲ級(jí)以下圍巖不大于40 m;Ⅳ級(jí)圍巖不大于30 m;Ⅴ級(jí)圍巖應(yīng)<20 m。圍巖變化處適當(dāng)加密，在各級(jí)圍巖的起始地段增設(shè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)1～3個(gè)，水平收斂1～2對(duì)。當(dāng)發(fā)生較大涌水時(shí)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖量測(cè)斷面的間距應(yīng)縮小至5～10 m。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

1)周邊位移:

數(shù)據(jù)處理公式:Ut=L0－Lt+Xt1－Xt0式中 Ut—— t時(shí)刻的周邊收斂值;

L0——收斂尺的初始讀數(shù);

Lt——收斂尺t時(shí)刻的讀數(shù);

Xt1——t時(shí)刻溫度修正值;

Xt0——初始時(shí)刻溫度的修正值。

拱頂下沉:Δ h =ht－h(huán)0

式中 Δh——t時(shí)刻的拱頂下沉量;

ht——t時(shí)刻收斂尺的讀數(shù);

h0——收斂尺的初始讀數(shù)。

2)數(shù)據(jù)應(yīng)用

①隧道周壁任意點(diǎn)的實(shí)測(cè)相對(duì)位移值或用回歸分析推算的總相對(duì)位移值均應(yīng)小于表1[5]所列數(shù)值，否則應(yīng)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的修正。②根據(jù)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，確定變形管理等級(jí)，據(jù)以指導(dǎo)施工。變形管理等級(jí)見表2[5]。③當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，則表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)密切監(jiān)視圍巖動(dòng)態(tài)，并加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)暫停開挖。

表1 初期支護(hù)極限相對(duì)位移 %

表2 圍巖變形管理等級(jí)

4 騾坪隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)與分析

在隧道的開挖過程中，隨著開挖面的向前推進(jìn)和時(shí)間的推移，隧道圍巖變形不斷發(fā)展，這就是通常所說的圍巖變形特征。對(duì)這一效應(yīng)的研究，有助于掌握圍巖的變形特征，確定二次襯砌的合理施作時(shí)間，從而配合和指導(dǎo)施工實(shí)踐。本節(jié)結(jié)合騾坪隧道的監(jiān)控量測(cè)資料，對(duì)圍巖變形位移—時(shí)間特征進(jìn)行分析、總結(jié)，以期找出其中的一些變形特征和規(guī)律，為以后的相關(guān)研究提供參考。

根據(jù)騾坪隧道的監(jiān)控量測(cè)資料對(duì)圍巖變形位移—時(shí)間曲線進(jìn)行了總結(jié)，迄今對(duì)騾坪隧道拱頂下沉和周邊水平收斂的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖一般埋點(diǎn)后經(jīng)歷一個(gè)月左右的時(shí)間后，圍巖測(cè)點(diǎn)變形基本上就會(huì)趨于穩(wěn)定。因此，以下各必測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)斷面的分析內(nèi)容主要側(cè)重于埋點(diǎn)后經(jīng)歷一個(gè)月左右時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果。騾坪隧道圍巖變形位移—時(shí)間特征曲線主要有以下4種類型:“拋物線”型、“廠”型、“似根號(hào)”型、“S”型。

1)“拋物線”型(如圖3所示):這種類型曲線在變形趨穩(wěn)前大致可分為2個(gè)階段:①快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間為7 d左右，平均變化速率為0.12 mm/d;②緩慢增長(zhǎng)～趨穩(wěn)階段:持續(xù)時(shí)間為15 d左右，平均變化速率為0.015 mm/d。這種類型曲線的特征是:隧道圍巖變形速率在開挖后初期較快，隨著時(shí)間的推移和掌子面的推進(jìn)，圍巖變形速率逐漸減小直至變形穩(wěn)定。

圖3 ZK9+260斷面周邊收斂下測(cè)線變化曲線

圖4 ZK9+220斷面周邊收斂下測(cè)線變化曲線

2)“廠”型(如圖4所示):這種類型的曲線在變形趨穩(wěn)前大致可分為2個(gè)階段:①快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間為1～7 d，平均變化速率為0.30～3.55 mm/d;②趨穩(wěn)階段(有時(shí)為緩慢增長(zhǎng)～趨穩(wěn)階段):這一階段的平均變化速率均<0.20 mm/d。這一類型曲線的特征:掌子面的開挖致使前期的圍巖變形速率較快，一段時(shí)間后隧道的圍巖變形很快趨于穩(wěn)定。

3)“似根號(hào)”型(如圖5所示):這種類型的曲線在變形趨穩(wěn)前大致可劃分為4個(gè)階段(以YK9+205斷面拱頂下沉中間測(cè)點(diǎn)變化曲線為例):①快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間為1 d左右，其平均變化率一般為1.80 mm/d;②快速回落階段:持續(xù)時(shí)間為1 d左右，平均變化率一般為－1.33 mm/d;③快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間18 d左右，平均變化率一般為1.40 mm/d;④緩慢增長(zhǎng)～趨穩(wěn)階段:持續(xù)時(shí)間4 d，平均變化率一般為0.15 mm/d。這一類型曲線的特征是:開始時(shí)圍巖變形速率較快，隨后變形量快速回落且圍巖變形速率出現(xiàn)負(fù)值，然后變形量重新增大圍巖變形速率較快，最后隨著時(shí)間的推移圍巖變形逐漸減慢并趨向穩(wěn)定。

4)“S”型(如圖6所示):這種類型曲線較少，以YK9+258斷面為例:①快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間為4 d左右，平均變化率為0.18 mm/d;②緩慢增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間為7 d左右，平均變化速率小于0.20 mm/d;③快速增長(zhǎng)階段:持續(xù)時(shí)間8 d左右，平均變化速率一般為0.30 mm/d左右;④緩慢增長(zhǎng) ～趨穩(wěn)階段:持續(xù)時(shí)間10 d左右，平均變化速率小于0.20 mm/d。這一類型曲線的特征是:在剛開始時(shí)圍巖變形速率較快，接著幾天圍巖變形速率緩慢，然后是快速增長(zhǎng)階段，最后，隨著時(shí)間的推移圍巖變形速率逐漸減小，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖5 YK9+205斷面周邊收斂變化曲線

圖6 YK9+258斷面周邊收斂變化曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的情況來看:“廠”型最普遍，其次是“拋物線”型，“似根號(hào)”型和“S”型較少，僅在個(gè)別特殊的斷面出現(xiàn)。

5 結(jié)語

結(jié)合騾坪隧道工程實(shí)際，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)資料入手，對(duì)典型公路隧道的圍巖變形特性與穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的分析和研究，得到以下主要結(jié)論:

1)騾坪隧道開挖過程中圍巖變形受時(shí)空效應(yīng)的影響，隧道各臺(tái)階圍巖變形(不計(jì)其它臺(tái)階開挖對(duì)它的影響)基本上呈拋物線型。隧道全斷面開挖后10～20 d或距其開挖面一倍到兩倍洞徑處，位移釋放率通常能達(dá)到80%以上，開挖后30 d或距其開挖面三倍到四倍洞徑處，位移釋放率絕大多數(shù)達(dá)到近100%。

2)騾坪隧道圍巖變形位移—時(shí)間特征曲線主要有4種類型:“拋物線”型、“廠”型、“S”型、“似根號(hào)”型。

3)從騾坪隧道圍巖變形速率來看，隧道開挖后20～50 d內(nèi)周邊收斂和拱頂下沉位移釋放率和變形速率都達(dá)到了規(guī)范的要求，可以施作二次襯砌。

4)騾坪隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)量均不大，而且基本在30 d內(nèi)趨于穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用支護(hù)參數(shù)以及施工中采用的上下臺(tái)階法施工能夠保證施工安全進(jìn)行，并且有較高的安全度。

隧道圍巖變形主要受圍巖級(jí)別、巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)、地應(yīng)力、巖體力學(xué)性質(zhì)、埋深、工程因素等多方面因素的綜合影響，另外，地下水分布、淺表生構(gòu)造等因素也會(huì)影響隧道圍巖變形。所以，在很好地了解隧道圍巖變形特征及規(guī)律的同時(shí)，必須綜合考慮各方面的影響因素，才能有效地指導(dǎo)隧道的正常施工。

[1] 王建宇.隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1990.

[2] 中華人民共和國(guó)交通部.JTJ042—2004 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

[3] 李曉紅.隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

[4] 孫明磊，朱正國(guó)，劉志春.客運(yùn)專線超長(zhǎng)斷面隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究［J］.鐵道建筑，2009(10):57-59.

[5] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.