石鼓隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)及數(shù)據(jù)分析

蔣英禮，王勁松，陳忠球

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510650;2.廣東省長大公路工程有限公司，廣東廣州 511431)

0 引言

隧道作為一種特殊的工程結(jié)構(gòu)體系，在施工過程中，四周的原狀力學(xué)體系已經(jīng)被打破，圍巖的力學(xué)性態(tài)不僅受到巖石生成條件和地質(zhì)作用的影響，還受到隧道開挖方式、支護(hù)類型、支護(hù)時機(jī)和支護(hù)參數(shù)等因素的影響，要尋求正確反映巖體力學(xué)性態(tài)的模型相當(dāng)困難［1］。然而，由于圍巖介質(zhì)和地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，試圖完全用精確的數(shù)學(xué)模型來揭示地下工程問題往往是不可能的，因為運(yùn)用工程數(shù)學(xué)模型解決地下工程問題往往在提出基于經(jīng)驗的假設(shè)條件后方可實現(xiàn)，地下工程的設(shè)計和施工仍然處于半經(jīng)驗半理論狀態(tài)。由此看來，對于地下工程，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜的地下工程開展施工監(jiān)控量測是很有必要的［2－4］。現(xiàn)場監(jiān)控量測是新奧法施工的三大要素之一，是復(fù)合式襯砌設(shè)計、施工的核心技術(shù)。對隧道施工進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，并根據(jù)量測資料分析結(jié)果，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和措施以確保施工安全。本文以石鼓隧道施工為例，介紹監(jiān)控量測在隧道施工中的應(yīng)用，為隧道設(shè)計及施工提供參考。

1 工程概況

石鼓隧道位于廣東省東莞市銀屏山自然保護(hù)區(qū)，起止樁號為k32+447～k36+458，累計單洞長7 891 m，其中左線長4 011 m，Ⅱ級圍巖2 839 m，Ⅲ級圍巖927 m，Ⅳ級圍巖136 m，Ⅴ級81 m;右線長3 880 m，Ⅱ級圍巖2 838 m，Ⅲ級圍巖855 m，Ⅳ級圍巖136 m，Ⅴ級28 m。在Ⅴ級圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在Ⅲ、Ⅳ級圍巖地段采用臺階法施工，在Ⅱ級圍巖地段采用全斷面法施工。該隧道為分離式小凈距隧道，雙向6車道，其斷面內(nèi)輪廓采用三心圓設(shè)計，高7.98 m，寬15.40 m，左右線開挖凈距29～31 m，最大埋深約534 m。隧址區(qū)地層主要為白堊系下統(tǒng)白云峰組熔結(jié)凝灰?guī)r、侏羅系上統(tǒng)南山村組凝灰?guī)r及侏羅系中統(tǒng)吉嶺灣組熔結(jié)凝灰?guī)r。

2 監(jiān)測內(nèi)容與斷面布置

石鼓隧道采用新奧法施工。新奧法施工的主要特點(diǎn)是通過許多量測手段對開挖后隧道圍巖的動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并以此來指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工。依據(jù)新奧法的這一理論特性和主要特點(diǎn)，石鼓隧道監(jiān)控量測的應(yīng)測項目有地質(zhì)和支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉量測、水平收斂及地表沉降等，各測點(diǎn)的布置見圖1。

石鼓隧道左線長4 011 m，右線長3 880 m，根據(jù)隧道監(jiān)控量測設(shè)計要求，其各個監(jiān)測項目的監(jiān)測斷面統(tǒng)計見表1。為了研究圍巖的穩(wěn)定性及變形特征，選取了隧道右線的5個典型監(jiān)測斷面作為研究斷面進(jìn)行分析，不同圍巖級別的典型監(jiān)測斷面見表2。

圖1 監(jiān)控量測點(diǎn)布置(單位:cm)

表1 石鼓隧道監(jiān)測斷面統(tǒng)計表

表2 選取的不同圍巖級別的典型監(jiān)測斷面

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用

3.1 地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

隧道掌子面每次爆破和初噴后，通過肉眼觀察、地質(zhì)羅盤和錘擊檢查，描述和記錄圍巖地質(zhì)情況，包括巖性種類、巖層產(chǎn)狀、裂隙、溶洞和地下水等方面，了解開挖工作面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，判斷圍巖級別是否與設(shè)計相符，測量地下水流量;觀察支護(hù)效果，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠程度。

以下為Yk36+305斷面觀察記錄結(jié)果。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙發(fā)育，雜亂、多張開，一般有軟質(zhì)充填物，節(jié)理面壁粗糙，多數(shù)水銹，蝕變、輕微蝕變。可用挖機(jī)、風(fēng)鎬掘進(jìn)，局部地方需用鉆爆掘進(jìn)，工作面潮濕。開挖后，圍巖自穩(wěn)性差，極易冒頂和坍塌。雙側(cè)壁導(dǎo)坑掘進(jìn)時，觀測圍巖的動態(tài)及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況。由于核心部分未開挖，在導(dǎo)坑掘進(jìn)中觀測時其只有微小變化。上坑道開挖初期支護(hù)后圍巖穩(wěn)定，初期支護(hù)有多處滲水現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3.2 地表下沉

石鼓隧道入口為V級圍巖，隧道埋深較淺，圍巖穩(wěn)定性差，且下穿山間谷地溪流，溪流處最小埋深5 m，根據(jù)地形，深圳端洞口淺埋段右線布置了2個觀測斷面(Yk36+295、Yk36+305)，地表下沉觀測點(diǎn)自襯砌中線沿兩側(cè)布置，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置9個。用水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行地表下沉的觀測，歷時120 d。圖2為地表沉降與量測時間的關(guān)系，從獲取的量測數(shù)據(jù)來看，最大值為32 mm，隧道開挖后第一個月沉降量較大，在第二、第三個月逐步趨于穩(wěn)定，前三個月沉降量達(dá)到總沉降的90%以上，第四個月的地表沉降量很少，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地面無明顯沉降，不會對洞室周圍建筑物產(chǎn)生大的影響。圖3為地表最大沉降量與開挖面距離的關(guān)系，可以看出，開挖面到達(dá)埋設(shè)斷面時，下沉量速率達(dá)到最大，之后地表下沉逐漸穩(wěn)定。在隧道開挖面到埋設(shè)斷面前后10 m，地表沉降較大，需加強(qiáng)觀測。

對石鼓隧道洞口的地表沉降點(diǎn)進(jìn)行觀測，地表最大沉降達(dá)到32 mm后，地表沉降變化一直都保持較平穩(wěn)的態(tài)勢。其遠(yuǎn)小于允許的沉降值，表明石鼓隧道洞口淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖技術(shù)是適宜的，保證了該淺埋軟弱圍巖地段的安全、順利施工。

圖2 地表沉降—時間曲線圖

圖3 地表沉降—開挖面距離曲線圖

3.3 周邊位移與拱頂下沉量測

圖4～圖7給出了石鼓隧道4個代表性斷面的拱頂下沉和凈空收斂曲線及位移速率曲線。由圖可知，拱頂沉降與周邊收斂基本同步，拱頂沉降速率明顯大于周邊收斂速率。斷面Yk36+010、Yk36+160、Yk36+275分別代表Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖的的拱頂下沉和水平收斂曲線，可以看出，圍巖越差，其拱頂沉降和水平收斂也越大，圍巖的變形規(guī)律也和開挖方法有關(guān)，Yk36+010的圍巖變形可分為3個階段:第一階段，急劇變形階段，此階段變形在開挖及初期支護(hù)后7 d左右，變形速率較大，其當(dāng)日變形速率＞0.5 mm/d;第二階段，緩慢變形階段，此階段變形速率開始減緩，在20 d之內(nèi)，其當(dāng)日變形速率 ＞0.2 mm/d(拱頂下沉)和＞0.15 mm/d(水平收斂);第三階段，穩(wěn)定變形階段，此階段在開挖及初期支護(hù)25 d之后，當(dāng)日變形速率趨于零，變形逐漸穩(wěn)定。而斷面Yk36+160、Yk36+275的圍巖變形分為四個階段，較Yk36+010全斷面法施工其在第二階段后增加了第三階段為變形加速階段，該階段由于下臺階開挖，造成圍巖應(yīng)力釋放，加速變形，該階段歷時10 d左右;第四階段圍巖最終穩(wěn)定階段，下臺階開挖完成后一段時間，圍巖在噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等初期支護(hù)共同作用下，圍巖應(yīng)力重新分布，達(dá)到平衡狀態(tài)，圍巖變形極其緩慢，逐漸收斂，變形速率很少，幾乎為零，圍巖達(dá)到最終穩(wěn)定，可以進(jìn)行二襯施工。所以在采用臺階法隧道施工，在施工下臺階時要加強(qiáng)隧道的拱頂沉降和水平收斂的監(jiān)控。

圖4 拱頂沉降—時間曲線圖

圖5 周邊收斂—時間曲線圖

圖6 拱頂沉降速率—時間曲線圖

圖7 周邊收斂速率—時間曲線圖

4 結(jié)論

通過對石鼓隧道在施工過程中的地表沉降、周邊位移和拱頂下沉等的監(jiān)控量測，以及對監(jiān)測結(jié)果的分析研究，得到以下主要結(jié)論。

1)隧道變形是時空效應(yīng)共同作用的結(jié)果，開挖過程中，工作面的影響范圍一般為前后10～20 m，即1～2倍洞徑范圍，相應(yīng)時間大約30～40 d，而且圍巖質(zhì)量越好，穩(wěn)定的時間也越短。

2)從現(xiàn)場周邊位移和拱頂下沉的監(jiān)測來看，同一監(jiān)測斷面的周邊收斂、拱頂下沉的監(jiān)測指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律基本一致，一般經(jīng)歷急劇增加—緩慢增長—再次加速(下臺階施工)—趨于穩(wěn)定的四個階段，變形特征與圍巖級別、開挖方式以及測量儀器精度有著直接關(guān)系。

3)隧道出口段地表前三個月沉降速率較大，其沉降量達(dá)到總沉降的90%以上，但隨時間推移沉降速率逐漸較小，第四個月沉降基本穩(wěn)定，說明隧道洞口山體穩(wěn)定。

4)從監(jiān)測結(jié)果看，對于采用臺階法開挖的軟弱巖體，下臺階和仰拱開挖時，圍巖產(chǎn)生較大的變形，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，實時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保圍巖穩(wěn)定，隧道下斷面開挖后要及時支護(hù)和仰拱封閉，使初期支護(hù)斷面閉合成環(huán)。

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

［2］代高飛，應(yīng) 松，夏才初，等.高速公路隧道新奧法施工監(jiān)控量測［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，27(2):132－135.

［3］王海濤，賈金青.監(jiān)控量測技術(shù)在喬莊隧道中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，28(2):237－239.

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