馮家梁子隧道圍巖變形與受力特征監(jiān)控量測(cè)分析

程 滔

(湖北省公路水運(yùn)工程咨詢(xún)監(jiān)理公司，湖北 武漢 430056)

馮家梁子隧道圍巖變形與受力特征監(jiān)控量測(cè)分析

程 滔

(湖北省公路水運(yùn)工程咨詢(xún)監(jiān)理公司，湖北 武漢 430056)

通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，對(duì)其受力力學(xué)特征進(jìn)行分析，研究了隧道產(chǎn)生變形的原因和機(jī)制，基于對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)演化機(jī)制的正確認(rèn)識(shí)，對(duì)隧道初支參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并采用壓力盒對(duì)隧道二次襯砌的圍巖壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整的支護(hù)參數(shù)的正確性，確保了隧道安全順利貫通。

隧道工程，泥質(zhì)頁(yè)巖，圍巖變形，監(jiān)控量測(cè)

1 概述

馮家梁子隧道為一座高速公路小凈距隧道，進(jìn)口位于保康縣馮家梁子，出口位于保康縣大坪村，走向約243°，呈北東～南西向展布。隧道全長(zhǎng)560 m，最大埋深87.2 m。馮家梁子隧道自開(kāi)挖以來(lái)，多次發(fā)生工程災(zāi)害事故，如：圍巖大變形、塌方、初支侵限等等(見(jiàn)圖1)，這些工程災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)工程施工進(jìn)度造成了較大的影響，鑒于此，本文在分析現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和工程特征的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)，并根據(jù)量測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖變形特征進(jìn)行分析，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以達(dá)到正確指導(dǎo)隧道施工的目的。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)區(qū)域上位于新華夏系第三隆起地帶與淮陽(yáng)山字型西翼反射弧東段的復(fù)合部位，淮陽(yáng)山字型西翼反射弧北西向至近東西向的褶皺帶、斷裂帶斜貫全區(qū)，北部為青峰斷裂帶，南為荊當(dāng)盆地，西為牛頭山倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜，東部為南漳斷凹。新華夏系的北北東向構(gòu)造帶、北北西向構(gòu)造帶的斷裂和槽地帶復(fù)合于山字型構(gòu)造帶之上，構(gòu)造較為復(fù)雜。從區(qū)域構(gòu)造上看，隧址區(qū)附近無(wú)大的斷裂構(gòu)造發(fā)育，但發(fā)育以向斜為主的主回旋褶皺，褶皺核部距隧址區(qū)較近，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)出露巖層單一，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪以及詳勘鉆孔揭示的地層來(lái)看，隧道主要穿越地層為第四系殘坡積粉質(zhì)粘土、碎石層，志留系龍馬溪組泥質(zhì)、粉砂質(zhì)頁(yè)巖(S11)。其中第四系覆蓋層主要分布于隧道進(jìn)出口一帶，以碎石為主，夾粉質(zhì)粘土，厚度約為0.5 m～5.3 m；強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖厚5 m～13 m，多為黃褐色～灰色，裂隙發(fā)育，張開(kāi)狀，裂面見(jiàn)褐色鐵錳質(zhì)薄膜，巖芯多呈塊狀；中風(fēng)化頁(yè)巖多呈青灰色，巖芯多呈塊狀，少量為短柱狀，個(gè)別為長(zhǎng)柱狀。巖層為單斜構(gòu)造，進(jìn)出口巖層產(chǎn)狀接近一致，均為20°∠60°左右，節(jié)理裂隙發(fā)育兩組，產(chǎn)狀為：210°∠70°,140°∠65°。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50218—94工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)屬軟巖區(qū)，隧道極可能產(chǎn)生大變形。巖石室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)表明該段巖層巖石力學(xué)性質(zhì)差，見(jiàn)表1。

表1 巖石室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)值

3 基于監(jiān)控量測(cè)的隧道圍巖變形與受力特征分析

綜合本地段的各種因素：水文地質(zhì)條件、圍巖等級(jí)、支護(hù)類(lèi)型和隧道埋深等，選取拱頂下沉、周邊收斂和圍巖接觸壓力作為監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，以便監(jiān)控隧道穩(wěn)定性[4]。圍巖接觸壓力測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于拱頂、兩拱腰和拱腳處。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

周邊位移量測(cè)用JSS30型數(shù)顯收斂計(jì)，讀數(shù)精度0.01 mm；拱頂下沉用LACA-NAZ水準(zhǔn)儀、銦鋼尺，精度為1 mm。測(cè)點(diǎn)安設(shè)在距工作面2 m范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)布置在開(kāi)挖后12 h內(nèi)即開(kāi)始量測(cè)在下次爆破前測(cè)取初讀數(shù)。隧道開(kāi)挖支護(hù)后，拱頂下沉的監(jiān)控量測(cè)是在隧道拱頂處用鉆機(jī)打一鉆孔，直徑為42，并埋設(shè)膨脹鉤，由于防膨脹鉤產(chǎn)生的松動(dòng)可能會(huì)在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生誤差，可用快凝水泥或者早強(qiáng)錨固劑進(jìn)行固定[5]。

對(duì)于隧道周邊收斂預(yù)埋件的安裝，采用直徑為42的鋼筋，用早強(qiáng)錨固劑或者快凝水泥固定在隧道拱腰或者邊墻處，監(jiān)控量測(cè)斷面布置示意圖見(jiàn)圖2。圍巖變形壓力以及二次襯砌壓力監(jiān)測(cè)，要與拱頂下沉、周邊收斂斷面保持一致[6]。

4 圍巖變形特征分析

4.1 頂拱下沉

所監(jiān)測(cè)三個(gè)斷面的拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得：隧道開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)，拱頂下沉表現(xiàn)為持續(xù)增長(zhǎng)，且變形持續(xù)，未達(dá)到穩(wěn)定，增長(zhǎng)界線時(shí)間點(diǎn)為第10天。甚至出現(xiàn)了在第10天以后，拱頂下沉速率仍然增大的現(xiàn)象。盡管三個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)下沉累積結(jié)果未超過(guò)30 mm，但其變形趨勢(shì)卻持續(xù)增大，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全造成很大威脅。如果圍巖變形不得到控制，其下沉累積值將超過(guò)圍巖能承受的界線而導(dǎo)致初支侵限甚至發(fā)生整體破壞。因此，建議在下沉變形未到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，不宜進(jìn)行二次襯砌的施作，以免發(fā)生二次襯砌開(kāi)裂導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

4.2 周邊收斂

所監(jiān)測(cè)三個(gè)斷面的周邊收斂隨時(shí)間變化曲線結(jié)果如圖4所示。

由圖4可得：隧道所監(jiān)控?cái)嗝娴闹苓吺諗拷Y(jié)果變形比較大，在隧道開(kāi)挖的前15天，周邊水平收斂最大值達(dá)到100 mm。在隧道開(kāi)挖的前10天，全部被監(jiān)控?cái)嗝娴闹苓吺諗坷塾?jì)值表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，且變形持續(xù)，未達(dá)到穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)前期，周邊收斂的變形速率不大，分析其原因，可能是開(kāi)挖卸荷占變形的主導(dǎo)。開(kāi)挖10 d后，周邊收斂的速率發(fā)生了增大，分析原因，可能與該隧道的巖性有關(guān)，由于片巖具有軟巖所特有的膨脹性、蠕變性，因此往往會(huì)發(fā)生圍巖變形緩慢持續(xù)的現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致初期支護(hù)變形破壞[7,8]。

5 圍巖受力特征分析

對(duì)隧道橫斷面不同部位進(jìn)行危巖壓力監(jiān)測(cè)后，得到如圖5，圖6所示的結(jié)果。

由圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)曲線圖5可知，圍巖的壓力在最開(kāi)始增長(zhǎng)很快，到了第3天后，開(kāi)始趨于緩和，盡管此后壓力仍有增大變化，但程度較低，變形速率緩慢。從接觸壓力最大值分布圖6可知，圍巖的接觸壓力不管是在時(shí)間上還是空間上，都存在不均勻性，即隧道橫斷面處產(chǎn)生了偏壓，這反映了片巖這類(lèi)軟巖的變形不均勻性[9]。

6 對(duì)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果處置實(shí)踐

綜合分析拱頂下沉、周邊收斂、圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果后，對(duì)隧道有監(jiān)測(cè)信息反饋的區(qū)段的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)調(diào)整后的合理性，采用壓力盒對(duì)隧道二次襯砌的圍巖壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7，圖8所示。

由優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后的二次襯砌壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果可得，調(diào)整后二次襯砌的壓力在第3天開(kāi)始變緩，曲率減小，且壓力最大值分布圖較為圓潤(rùn)，表明壓力趨于均勻，之前的偏壓現(xiàn)象已經(jīng)不存在，這大大有利于隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)，通過(guò)該測(cè)試結(jié)果可知調(diào)整后的支護(hù)參數(shù)是合理有效的[10]。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述研究，得到以下結(jié)論：

1)泥質(zhì)頁(yè)巖這類(lèi)軟巖，具有強(qiáng)度低、遇水膨脹的特點(diǎn)，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)重視新奧法的先進(jìn)指導(dǎo)理念，為隧道支護(hù)提供理論依據(jù)。

2)由于泥質(zhì)頁(yè)巖具有軟巖蠕變特征，因此圍巖的變形具有時(shí)空效應(yīng)，既要根據(jù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行支護(hù)，又要根據(jù)變形量來(lái)確定支護(hù)時(shí)機(jī)。

3)依據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料，在隧道開(kāi)挖支護(hù)后應(yīng)當(dāng)預(yù)留適度的變形量，以便于最大程度發(fā)揮圍巖自承能力。

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The tunnel surrounding rock deformation and stress characteristics based on monitoring measurement analysis of Fengjialiangzi tunnel

Cheng Tao

(Highway&WaterTransportEngineeringConsulting&SupervisingCompanyofHubeiProvince,Wuhan430056,China)

By the deformation of surrounding rock in tunnel excavation process monitoring, we have done the analysis of its stress mechanics characteristic, also, the cause deformation of the tunnel and the mechanism was studied. Based on a correct understanding of dynamic evolution mechanism of surrounding rock, the supporting parameters for dynamic were optimization adjustment, demonstrate the validity of the supporting parameters dynamic adjustment at the same time, ensuring the safety of the tunnel through smoothly.

tunnel engineering， argillaceous shale， surrounding rock deformation， monitoring measurement

2015-01-20

程 滔(1986- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)10-0169-03

U455.4

A