高地應力隧道仰拱變形規律及防治辦法淺析

宮傳生

（中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司，遼寧 大連 116023）

高地應力隧道仰拱變形規律及防治辦法淺析

宮傳生

（中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司，遼寧 大連 116023）

高地應力地段隧道施工中，由于施工擾動造成地應力二次分布，致使仰拱襯砌承受較大的地應力，若施工工藝不到位或設計人員對區域復雜地質認識不足導致設計參數不夠，施工作業完的仰拱將會發生隆起開裂，影響下一步工序的使用。論文闡述了高地應力隧道仰拱變形普遍形變規律，提出了監測仰拱變形量，根據變形發展程度決定填充施工作業時機，或者變更設計參數，加強措施后監測變形量，決定填充施工作業時機，為避免高地應力隧道仰拱施工作業后的大變形提供了參考。

高地應力地質;仰拱隆起;沉降觀測

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.013

1 引言

近年來，我國加大西部地區鐵路、高速公路建設。長大隧道多，埋深大，尤其地質復雜，構成該區域環境方面工程設計和施工難點。一些鐵路線在施工過程中或運營后發現軌道發生變形，對運營安全造成了隱患。原因是仰拱施做后并未承受住圍巖的壓力，受各種復雜環境、人為因素影響或早或晚發生了變形。這就要求在施工過程中了解高地應力條件下仰拱變形的規律，以及以后外在環境變化，圍巖由不活躍變為活躍，仰拱又會發生怎樣的變化，提前把設計參數設計到位，施做后還要持續監測填充或軌道高度變化，對突發變形采取加強措施進行控制。

2 仰拱隆起變形規律

高地應力地區，圍巖開挖后地應力便開始釋放，封閉的仰拱抵御著圍巖壓力，若初期支護等受力構件施工工藝不到位或者設計參數不足，初支在抵御圍巖壓力到極限后便開始變形，甚至扭曲。填充層監測數據顯示剛開始變化較大，后期逐漸減小，有的穩定，有的持續變化。在此過程中仰拱填充強度未達到，中心便產生裂縫，裂縫加寬加深，破壞填充整體性，其中，中心點變化量遠大于兩側點變化量，成拱形[1，2]。

若此隆起段落隧道貫通前無水，在隧道貫通后，由于中心水管水量的加大，或者巖體水系改變，原來無水的圍巖被水侵入，開始變得活躍，原來變化穩定的圍巖甚至無變化的圍巖開始擠壓仰拱，變化量有的由大逐漸變小或者持續變小后較小的變化量持續不穩定。以下引自西北某隧道現場觀測曲線，該隧道觀測點是在發現仰拱隆起后在填充面左中右各布設1個點，開始觀測幾個月，數據較為平穩，說明前期變化已經穩定。在2013年10月份隧道貫通，隧道流水量劇增，后期2個月數據發生明顯上升，其中DK200+500在2014年數據趨穩（見圖1），而DK200+050數據持續變化（見圖2）。

圖1D K 200+500隆起量變化曲線

圖2 D K 200+050隆起量變化曲線

可見，在填充施工之前能預測到仰拱變形是很重要的，創造人為條件，讓圍巖提前處于浸水不利條件下，觀測圍巖活躍程度，及早發現問題，采取應急措施，減少損失。

3 填充施工前仰拱變形監測、應力監測

高地應力區域隧道施工中，面對復雜的地質，通過量測發現有些軟巖一直在變化，直到侵入二襯凈空還變化不止，通過二次甚至三次的換拱，變更設計參數，才控制住大變形。有的單位有沒辦法，干脆不等圍巖穩定就施做二襯，防止圍巖侵入二襯凈空，給二襯穩定留下隱患，可見應力變化非常復雜，量測觀測手段在應對變形中不可缺少，用量測數據指導下一步施工，檢驗設計成果很重要。正常仰拱填充在仰拱初凝后就需要施做，但在高地應力段落，需要選擇一段仰拱做個試驗，仰拱封閉澆筑后填充施工前，用圍巖量測的辦法觀測仰拱收斂、高程變化，檢驗設計參數是否達標，用應力盒檢測圍巖應力大小變化規律，以此來監測圍巖動態和支護穩定性。在仰拱量測布設A、B點測量收斂值，在拱底布設C點觀測高程變化（見圖3）。監測頻率可參照圍巖量測規范規定的頻率（見表1）。

表1 監控量測位移速率

圖3 監控量測觀測標布設示意

若圍巖變化能夠在短期穩定，則觀測至穩定，得出收斂值和隆起變形值U0；若觀測觀測標變化短期明顯趨穩，且穩定需要很長時間，則用回歸分析法求出終值大小U0，若觀測無收斂或曲線變化不趨穩，則停止觀測。因仰拱填充層施工關系到下一步工序順利進行，以及成本及工期，所以觀測標變化量變化到殘余變化量不影響填充質量的時間T應該小于仰拱施工后至填充施工的施工容許時間T容，則以下幾種情況都需要對設計參數進行更改：變化量變化到殘余變化量不影響填充質量的時間T大于仰拱施做后至填充施做的施工容許時間T容；觀測無收斂或曲線變化不趨穩；U0大于容許變形量U容，對初支的受力結構構成損壞[3]。

變更可以采取打錨桿、注漿、加大拱架型號、縮短拱架距離或在填充區域內增設鋼架支撐，或更加先進的加固措施。設計院提出設計文件后，按變更要求施做，同時采用上訴方法重新進行監測，若不滿足U0＜U容或“變化量變化到殘余變化量不影響填充質量的時間T小于仰拱施做后至填充施做的施工容許時間T容”，則重新申請變更。需要強調的是在這個監測過程中，圍巖處于飽水狀態，如果圍巖無水，則人工灌水，這樣才更可能在圍巖最活躍狀態下測出仰拱變形量能否滿足施工及以后的長期穩定。對于應力比較穩定的段落，只需做一次實驗即可指導后續施工，當變形或應力值明顯變化與之前實驗段落大不一樣時需重新做實驗，這樣可減少不必要的人力物力浪費。仰拱初支結束到仰拱填充施工時間，若小于“變化量變化到殘余變化量不影響填充質量的時間T”，則質量會受到影響，如隆起開裂，太長不應超過T容，則施工時間應介于T和T容之間。T應根據量測資料來確定，實測或通過回歸分析法求出，量測斷面到時間T的殘余變化量不應影響仰拱填充質量的“殘余變化量”大小應由設計給出，見表2。

表2 施工條件與狀態

4 填充施工及無砟道床施工后的監測

高地應力地段影響圍巖變形的因素較多，為了防止仰拱發生變化，且在變化的第一時間能夠發現，需要進行兩階段的沉降觀測。第一階段是在地應力較大段落完工的填充面上布設沉降觀測點觀測隆起變化和應力監測，一般至少在左中右布設3個點。因填充面施工機械走動頻繁，為了保護數據的準確性，觀測標必須布在坑內，頂面低于填充面2cm以上，其他如觀測標尺寸、錨固措施、觀測辦法均應滿足規范要求。第二階段是墊層和道床施工結束后，需在墊層中心、兩側和道床中心布點觀測，在圍巖中植入應力盒進行應力監測（見圖4）。

圖4 無砟道床施工后的監測

測量必須滿足沉降觀測規范的二等觀測要求，尤其在雨季，凍融期，地震及較大人為受力、震動影響后，要監測到位。

5 結語

地應力大的隧道段落，建立仰拱施工監測試驗段，填充施做前創造不利條件使圍巖變得活躍，觀測仰拱初支變化，檢驗施工工藝和設計參數，避免填充施工后發生仰拱隆起，在實際施工中操作簡單，容易理解，意義重大。本文主要是從測量監測上對預防變形理論進行了研究，更深入有效的研究還需各方專業人士努力專研。

【1】TB10210—2001鐵路混凝土與砌體工程施工規范[S].

【2】TB10601—2009高速鐵路工程測量規范[S].

【3】TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].

Analysis of the Deformation Rule and the Control Method of the Inverted Arch inthe High Ground Stress Tunnel

GONG Chuan-sheng
(ChinaRailwayConstructionBridgeEngineeringBureauGroup1stEngineeringCo.Ltd.，Dalian116023，China)

Highpowersectionsofthetunnelconstructionandtheconstructiondisturbancewascausedbythesecondarystressdistribution, resulting in inverted arch lining under great stress. If the construction process is not in place, or design of complex regional geological knowledge is not enough, due to the lack of design parameter, the inverted arch will uplift and occur cracking,which affects the use of next procedure. The high ground stress of tunnel inverted arch deformation universal laws of deformation and the monitoring of inverted arch deformation were discussed. According to the deformation degree of development determine the filler application timing, or change the design parameters, measures to strengthen monitoring deformation determine the filler application timing, which provides a reference for avoidingthelargedeformationofthehighgroundstresstunnelconstruction.

highgroundstressgeology；invertedarchuplift；settlementobservation

U451+.2

A

1007-9467（2016）09-0060-02

2016-06-09

宮傳生（1984～），男，遼寧大連人，工程師，從事隧道施工與研究，（電子信箱）j12015@qq.com。