監(jiān)控量測在地質(zhì)順層偏壓高鐵隧道中的應(yīng)用

盧 偉

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

隨著我國鐵路隧道里程的增加，不可避免的會遇到各種復(fù)雜地質(zhì)條件，其中由地質(zhì)順層巖體等引起的隧道地質(zhì)偏壓問題目前還未進(jìn)行過較為深入的研究。工程實(shí)踐表明:當(dāng)隧道穿越具有地質(zhì)順層結(jié)構(gòu)的巖體時，因巖體傾斜且?guī)r體之間節(jié)理、層理面等軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，在隧道開挖后使圍巖受到擾動而沿弱面可能發(fā)生滑移，從而引起地質(zhì)順層偏壓隧道施工過程中發(fā)生坍方、初期支護(hù)開裂、隧道大變形、二襯開裂等影響隧道施工安全和結(jié)構(gòu)安全的事件。

目前設(shè)計(jì)主要依據(jù)隧道埋深和地形地質(zhì)條件確定隧道設(shè)計(jì)和施工參數(shù)，然而通過渝利鐵路南白洞隧道穿越D8K171+494～D8K172+122地質(zhì)順層偏壓地段的監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)順層偏壓的設(shè)計(jì)時尚應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測及時對設(shè)計(jì)和施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為確保隧道施工及結(jié)構(gòu)安全，本文對地質(zhì)偏壓隧道在監(jiān)控量測基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

渝利鐵路南白洞隧道為客貨共線(開行雙層集裝箱)雙線隧道，設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h。隧道穿越地層屬低山地貌，地勢較緩，局部陡峻。隧址構(gòu)造簡單，地層單斜，D8K171+494～D8K172+122段巖性為中厚層泥巖夾中～薄層狀砂巖(J2s)，埋深大于250 m，巖層產(chǎn)狀:N30°～35°E/22°～30°SE，走向與線路夾角為2°～11°，巖層視傾角21°～30°，巖層傾向線路左側(cè)，隧道左側(cè)順層偏壓。砂巖中節(jié)理較發(fā)育，裂隙水從砂、泥巖接觸帶附近呈線狀滲出，泥巖為隔水層，裂隙水在泥巖接觸面形成相對富水帶，巖體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較差。

隧道初期支護(hù)為:拱部180°四肢格柵鋼架，間距1.5 m，φ22鎖腳錨桿長3 m，每處2根;拱墻φ22砂漿錨桿長3 m，間距1.2 m×1.5 m(環(huán) ×縱);φ6鋼筋網(wǎng)25 cm ×25 cm;180°拱部噴射 C25混凝土厚23 cm，邊墻噴射C25混凝土厚10 cm。二次襯砌設(shè)計(jì)為:Ⅲ級加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，襯砌加寬值0.1 m，采用C30素混凝土，拱墻40 cm厚，仰拱45 cm厚。施工采用長臺階法，臺階長度30 m，仰拱一次開挖長度為12 m，二次襯砌要求為施工期間結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際量測數(shù)據(jù)對支護(hù)及圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判定，二次襯砌應(yīng)在圍巖及初期支護(hù)的變形基本穩(wěn)定后施作，初支開裂前二襯距離掌子面的距離一般在150 m左右。仰拱開挖澆筑距離掌子面長度一般為100 m左右。

2 監(jiān)控量測斷面布置及控制指標(biāo)

2.1 斷面布置

結(jié)合隧道實(shí)際情況，本次監(jiān)測主要包括型鋼應(yīng)力、圍巖壓力、初期支護(hù)與二次襯砌的接觸壓力、二次襯砌混凝土應(yīng)變、圍巖內(nèi)部位移5個內(nèi)容，具體見表1。

表1 監(jiān)測斷面及監(jiān)測內(nèi)容

2.2 監(jiān)測控制指標(biāo)

本次監(jiān)測的控制指標(biāo)主要有:圍巖與初期支護(hù)之間的壓力;初期支護(hù)的工字鋼或鋼筋的抗拉強(qiáng)度;混凝土壓應(yīng)力以及圍巖內(nèi)部位移。為安全考慮，各控制指標(biāo)分別為:圍巖與初期支護(hù)之間壓力不大于1.0 MPa;18號工字鋼為抗拉強(qiáng)度規(guī)定值(370 MPa～500 MPa)的下限370 MPa;初期支護(hù)鋼筋的主筋為Ⅱ級熱軋螺紋鋼筋HRB335，其抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為300 MPa;混凝土壓應(yīng)力達(dá)到其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時，取2 000 με作為混凝土壓應(yīng)變控制指標(biāo);跨度7 m＜B≤12 m隧道初期支護(hù)極限相對位移在Ⅳ級圍巖時為0.20%～0.80%。本隧道開挖跨度最大達(dá)13.6 m，其極限相對位移值為108 mm。按隧道相對位移左右對稱考慮，取54 mm作為圍巖內(nèi)部位移控制指標(biāo)。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 初支型鋼拱架應(yīng)力

D8K171+853和D8K171+807斷面型鋼拱架應(yīng)力圖分別為圖1所示。

圖1 拱架應(yīng)力變化曲線

由圖1可知:初期支護(hù)鋼拱架的應(yīng)力并非對稱分布，最大值均位于左側(cè)拱腰上，這和巖層的傾向一致，量值大小約為控制指標(biāo)(370 MPa)的60%左右;鋼拱架應(yīng)力急劇變化的位置分別是左側(cè)拱腰上和拱頂，甚至出現(xiàn)了個別測點(diǎn)超出壓應(yīng)力范圍的現(xiàn)象。

3.2 圍巖壓力

D8K171+853和D8K171+807斷面的圍巖壓力分布見圖2。最大值為0.952 MPa(測點(diǎn)位于拱頂)，達(dá)到允許應(yīng)力1.0 MPa的95.2%，但大部分?jǐn)?shù)值仍分布在 0.1 MPa ～0.3 MPa。

圖2 圍巖壓力變化曲線

由圖2可知:D8K171+853斷面拱頂處圍巖壓力變化不平穩(wěn)，第三天突然增大，10 d后基本趨于穩(wěn)定，并逐漸減小。右側(cè)拱腰下壓力緩慢增大;左右邊墻圍巖壓力很小，均小于0.1 MPa;而D8K171+807斷面左側(cè)拱腰圍巖壓力變化不平穩(wěn)，儀器埋設(shè)后第二天突然增大，之后連續(xù)3 d均呈增長趨勢，5 d后壓力急劇減小，測值在0附近漂移。

3.3 初支與二襯接觸壓力

D8K171+987和D8K171+958斷面初期支護(hù)與二次襯砌間的壓力變化曲線如圖3所示。

圖3 初支與二襯間接觸壓力變化曲線

由圖3可知:初期支護(hù)與二次襯砌之間的壓力不穩(wěn)定，尤其是右側(cè)拱腰上、左側(cè)拱腰上、右邊墻等位置。而且兩端面初支與二襯接觸壓力變化歷時曲線均表明:由于地質(zhì)順層偏壓的原因，右側(cè)壓力明顯大于左側(cè)。

3.4 二襯混凝土應(yīng)變

D8K171+987斷面縱向和橫向混凝土應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 D8K171+987斷面二襯混凝土應(yīng)變

(縱向，即沿隧道方向)拉應(yīng)變的最大值為242.48 με(測點(diǎn)在左邊墻)，為允許應(yīng)變2 000 με的12.12%，壓應(yīng)變的最大值為31.02 με(測點(diǎn)在右側(cè)拱腰上)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許應(yīng)變。

由圖4可知:該斷面縱向混凝土應(yīng)變比較平穩(wěn)，環(huán)向在拱頂、左側(cè)拱腰下、右側(cè)拱腰下先是受拉，大約15 d即轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌海兓容^平緩。

從上圖可見，該斷面混凝土大多處于受拉狀態(tài)，應(yīng)變(縱向)比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)大的波動，而且應(yīng)變值也未出現(xiàn)超過允許應(yīng)變的情況，說明二襯混凝土在這種受力情況下狀態(tài)良好。

3.5 圍巖內(nèi)部位移

D8K171+852斷面進(jìn)洞右側(cè)和左側(cè)圍巖內(nèi)部位移見圖5。

圖5 D8K171+852斷面巖內(nèi)部位移

最大值為33.96 mm，為允許位移54 mm的62.90%。

由圖5可知:下臺階開挖對圍巖內(nèi)部位移影響很大。以右側(cè)為例，在下臺階開挖之前，圍巖內(nèi)部位移很小，基本在5 mm以內(nèi)。當(dāng)下臺階開挖至監(jiān)測斷面時，圍巖內(nèi)部位移急劇發(fā)展，2 d內(nèi)變化約20 mm。主要原因在于:下臺階一次進(jìn)尺過長，未能盡快立邊墻拱架、噴錨，使得初期支護(hù)未能及時封閉成環(huán)，給圍巖位移提供了條件。左側(cè)圍巖位移也存在同樣的規(guī)律。

4 結(jié)語

通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可得到以下結(jié)論:

1)由于地質(zhì)順層偏壓的存在使得初期支護(hù)和二次襯砌的應(yīng)力出現(xiàn)不對稱的狀態(tài);2)地質(zhì)順層偏壓除對初期支護(hù)的應(yīng)力產(chǎn)生影響，同時影響到圍巖內(nèi)部的位移;3)采用臺階法施工地質(zhì)順層偏壓隧道時，應(yīng)注意及時對初支封閉成環(huán);4)施工中應(yīng)結(jié)合圍巖情況，根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整參數(shù)，從而保證隧道結(jié)構(gòu)的施工安全。

［1］ 李光揚(yáng)，蔣再文.地質(zhì)偏壓隧道圍巖破壞規(guī)律研究［J］.公路，2012(3):227-231.

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［4］ TB 10121-2007，鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.