大華嶺隧道監(jiān)控量測(cè)與穩(wěn)定性分析研究

王有杰

(河北張家口洋河新區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)管理處)

1 隧道洞室圍巖類(lèi)別劃分與襯砌支護(hù)參數(shù)

1.1 圍巖劃分

大華嶺隧道圍巖根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的圍巖劃分詳見(jiàn)表1，隧道洞室圍巖級(jí)別劃分，主要按以下順序進(jìn)行。

(1)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量的巖體質(zhì)量基本指標(biāo)[BQ]，綜合進(jìn)行初步分級(jí)。

(2)對(duì)圍巖進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)時(shí)，考慮了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)育程度、承受的荷載、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、幾何邊界條件、水的賦存狀態(tài)等因素。

(3)按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判、確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。

表1 大華嶺隧道圍巖分級(jí)標(biāo)

2.2 襯砌支護(hù)

襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以工程類(lèi)比法為主，結(jié)合構(gòu)造要求，根據(jù)圍巖級(jí)別和洞室埋深條件擬定相應(yīng)的支護(hù)類(lèi)型，再通過(guò)必要的理論分析計(jì)算(有限元法)等進(jìn)行校核，合理確定支護(hù)體系的各種參數(shù)。大華嶺隧道襯砌支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

3 量測(cè)項(xiàng)目與實(shí)施

3.1 量測(cè)項(xiàng)目的確定

(1)必測(cè)項(xiàng)目

必測(cè)項(xiàng)目是為了在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中確保圍巖穩(wěn)定，并通過(guò)判斷圍巖的穩(wěn)定性來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工。此類(lèi)量測(cè)通常測(cè)試方法簡(jiǎn)單、可靠性高。本次量測(cè)任務(wù)中選擇的必測(cè)項(xiàng)目有地質(zhì)和支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉和周邊位移量測(cè)。

(2)選測(cè)項(xiàng)目

表2 大華嶺隧道圍巖復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

續(xù)表2

選測(cè)項(xiàng)目是對(duì)必測(cè)項(xiàng)目的拓展與補(bǔ)充，其通過(guò)對(duì)一些有特殊意義和具有代表性的區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，以求得更深入的掌握圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)與錨噴支護(hù)的效果，用于指導(dǎo)未開(kāi)挖區(qū)的設(shè)計(jì)與施工。選測(cè)項(xiàng)目安裝埋設(shè)比較復(fù)雜，費(fèi)資費(fèi)時(shí)較大，但可以進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。本次量測(cè)任務(wù)中選擇的選測(cè)項(xiàng)目有:圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、鋼支撐應(yīng)力、襯砌應(yīng)力、圍巖與襯砌接觸壓力量測(cè)，其中錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面埋設(shè)位置如圖1，其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布設(shè)位置亦相同。

3.2 量測(cè)儀器的選定

根據(jù)確定的量測(cè)項(xiàng)目和斷面數(shù)目，所需儀器設(shè)備和數(shù)量如表3所示。監(jiān)測(cè)儀器、傳感器選型原則:必測(cè)項(xiàng)目的凈空收斂采用先進(jìn)、可靠、精度高、誤差小、測(cè)讀和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易方便的非接觸量測(cè)手段;選測(cè)項(xiàng)目采用穩(wěn)定、可靠、可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的振鉉式傳感器或光纖傳感器。

表3 量測(cè)項(xiàng)目?jī)x器設(shè)備一覽表

3.3 量測(cè)項(xiàng)目的目的與實(shí)施

地質(zhì)與支護(hù)狀況觀察要求對(duì)巖石、巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面、斷層進(jìn)行描述，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行觀察;周邊位移量測(cè)的目的是根據(jù)位移及其收斂狀況判斷周?chē)鷰r體的穩(wěn)定性，初期支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工方法是否妥當(dāng)，二次襯砌的灌注時(shí)間等;拱頂下沉量測(cè)的目的是監(jiān)視隧道拱頂下沉，了解斷面的變形狀態(tài)，判斷隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性;圍巖內(nèi)部位移量測(cè)是了解隧道圍巖的松弛區(qū)、位移量及圍巖應(yīng)力頒布，為準(zhǔn)確判斷圍巖的變形發(fā)展提供數(shù)據(jù);錨桿軸力量測(cè)根據(jù)錨桿反承受的拉力，判斷錨桿布置是否合理;襯砌應(yīng)力量測(cè)的目的是量測(cè)噴混凝土層、二次襯砌內(nèi)軸向應(yīng)力，了解支護(hù)襯砌的受力狀態(tài);圍巖與襯砌接觸壓力量測(cè)的目的是判斷復(fù)合式襯砌中圍巖荷載大小，判斷初期支護(hù)和二次襯砌分擔(dān)圍巖壓力情況;鋼支撐應(yīng)力量測(cè)的目的是判斷作用在鋼支撐上的壓力大小，確定鋼支撐尺寸、間距及設(shè)置鋼支撐的必要性。

圖1 錨桿軸力測(cè)點(diǎn)布置圖

4 圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)大華嶺隧道地質(zhì)情況和施工進(jìn)展，共布設(shè)了6個(gè)選測(cè)斷面和30個(gè)必測(cè)斷面，設(shè)測(cè)點(diǎn)338個(gè)，獲得量測(cè)數(shù)據(jù)1.2萬(wàn)多個(gè)。

本文僅以RK23+750斷面為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析:RK23+750斷面位于大華嶺隧道上行線(xiàn)，屬V級(jí)圍巖，采用上下臺(tái)階法施工，初期、二襯支護(hù)按五級(jí)淺埋，參數(shù)見(jiàn)表2。

圍巖與噴射混凝土接觸壓力:本斷面的接觸壓力較小，其中左側(cè)拱腰測(cè)點(diǎn)壓力較大，最大為0.2MPa，其余四個(gè)測(cè)點(diǎn)的接觸壓力均小于0.15MPa，原因是受偏壓所致，但偏壓較小。從接觸壓力的時(shí)空曲線(xiàn)分析，本斷面的接觸壓力穩(wěn)定。

噴射混凝土內(nèi)部應(yīng)力:所測(cè)數(shù)據(jù)均為壓力，其中拱頂?shù)膽?yīng)力最大為11.5MPa。從變化曲線(xiàn)分析拱頂?shù)膽?yīng)力趨于穩(wěn)定。其余四個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均較小，變化曲線(xiàn)水平發(fā)展。

鋼支撐內(nèi)力:拱頂與左側(cè)拱腰受力較大，均為壓力，這也與圍巖與噴射混凝土接觸壓力、噴射混凝土內(nèi)部應(yīng)力分析情況符合。但均在安全范圍內(nèi)，待上下臺(tái)階均開(kāi)挖支撐后，應(yīng)力開(kāi)始回落并趨于平穩(wěn)。其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較小且穩(wěn)定。

拱頂下沉與圍巖收斂:拱頂下沉量較小，最大值為22mm，周邊收斂值很小，最大值為17mm。

錨桿軸力:各測(cè)點(diǎn)錨桿均受拉力，左側(cè)拱腰圍巖內(nèi)部錨桿受拉力相對(duì)較大，最大為6.8kN(圖2)，其余錨桿受力較小，均在安全范圍內(nèi)。

圖2 左側(cè)拱腰3#錨桿軸力變化曲線(xiàn)

圍巖內(nèi)部位移:本斷面各測(cè)點(diǎn)位移均在安全范圍內(nèi)，目前處于比較穩(wěn)定狀態(tài)，只有左側(cè)拱腰位置大些，最大為6.0mm，其余各測(cè)點(diǎn)的位移比較均勻，都在1.2mm左右。

噴射混凝土與二次襯砌接觸壓力:五個(gè)測(cè)點(diǎn)值均小于0.17MPa，從時(shí)空曲線(xiàn)分析，二襯受力穩(wěn)定。

二次襯砌內(nèi)部應(yīng)力:五個(gè)測(cè)點(diǎn)值均小于0.15MPa，從時(shí)空曲線(xiàn)分析，二襯內(nèi)部應(yīng)力穩(wěn)定。

綜合以上各量測(cè)項(xiàng)目分析知，本斷面結(jié)構(gòu)受力不大，圍巖基本穩(wěn)定，表明在該段隧道的初期、二次襯砌支護(hù)理論，能確保圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過(guò)大華嶺隧道監(jiān)控量測(cè)與穩(wěn)定性分析知，大華嶺隧道的施工方法和支護(hù)參數(shù)是適宜的，能夠保證圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但在局部圍巖強(qiáng)度低的不良地段應(yīng)及時(shí)采取加強(qiáng)措施，并進(jìn)行超前支護(hù)，防止出現(xiàn)大的變形，以確保安全;公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)能夠準(zhǔn)確判斷圍巖的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，為施工方案提供可行的科學(xué)依據(jù)。

[1] 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)[S].

[2] 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTJ042-94)[S].

[3] 夏永旭，王文正，胡慶安.公路雙連拱隧道“三導(dǎo)洞法”施工的力學(xué)分析[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).

[4] 張小旺，蔡迎春.嶺南高速公路隧道監(jiān)控量測(cè)及信息化施工技術(shù)[J]鐵道建筑，2007，(2):52-54.