家竹箐隧道煤系地層段病害監測措施★

胡子揚 　 谷 宇 　 楊江坤 　 張 璐 　 韋 云 　 閆名卉

(河北大學建筑工程學院，河北 保定　071000)

中國是目前世界上隧道和地下工程數量最多、發展速度最快、地質及結構形式最復雜的國家，再加上由于隱蔽工程較多,難以及時監測隧道截面的變形，破壞等危險。在隧道的運營期間，如果不能及時的預測到隧道的變形，如襯砌開裂，滲水等病害。這些病害逐漸積累，不僅降低了隧道結構的安全性，耐久性及實用性，還會誘導其他危害，直接縮短隧道的使用壽命。

在實際施工中有許多監控措施[1]來保證在施工期間的安全，及后期結構的安全，但在現實中針對復雜地質條件下軟巖隧道的運營期間，它的遠程監控設計與動態管理的方面的研究還較少。動態監測隧道結構的安全對隧道的穩定運營具有重要作用。

在隧道的運營期間發生問題，如襯砌剝落開裂，掉塊等，這些因為隧道內部結構出現問題而導致的隱含危險，將會導致在隧道中行駛車輛事故的發生，尤其是對于圍巖等級[2]不高的地帶，如存在高地應力的圍巖，其在運營期間出現病害的幾率更大。在各種病害發生前，均會出現隧道微弱乃至大變形，本文便是主要針對病害發生前的隧道可能出現的微弱變形進行監測，及時在隧道病害發生前進行治理，最大限度的減少人員傷亡及財產損失。

1　工程概況

家竹箐隧道[3]位于南昆鐵路北段，位于云貴高原貴州省盤縣內，具有高瓦斯，高地應力的特點。在設計，建造期間采取各種排放瓦斯，釋放和緩解及抵抗高地應力的措施，最終在當時惡劣的情況下建造完成。

1)隧道運營期間產生的病害：

隧道分別于2003年及2013年發生隧道病害。第一次為隧道襯砌開裂，掉寬塊；此時分析原因為高地應力的積累，支護結構不足以繼續抵抗地應力的發展，最終導致的病害發生；采取的措施為在裂縫上下各1.5 m的范圍內噴混凝土加固，縫內填充氣密性混凝土等措施加固襯砌結構，并且注意防水的處理，經過整治，病害得到控制，隧道繼續運營。隧道于2013年發生第二次病害，主要為開裂，滲水，掉塊，并且有瓦斯涌出。發生的位置主要在支護結構薄弱的階段，此時的原因即有圍巖應力的發展，也存在因為漏水導致支護結構的抵抗能力下降。

2)機理分析：

根本上是高地應力的發展，隧道開挖后，因為允許發生大變形，圍巖應力得到緩解，但是由于并沒有從根本上解決圍巖應力的發展。在隧道建成后，由于襯砌結構的支撐，襯砌結構要保證小變形，自身的剛度大，導致圍巖應力不斷積累，最后導致高地應力達到支護結構的支護極限。其次為圍巖等級較弱，圍巖情況較差，支護結構在施工時雖然達到了要求，但是隨著地應力的發展，襯砌結構不足以抵抗地應力的發展；再加上在運營階段沒有良好的監測手段，未能在病害發生前進行整治與維護，最終導致了兩次危害的發生。由此可見，不同的工程問題產生不同的變形形態和尺度，如能通過動態監測變形形態和尺度，及時的推斷出隧道可能發生的病害及發生病害最直接的原因，加以維護便可最大程度的減少損失；建設出一套基于不同病害產生的變形形態判定和尺度的度量標準系統，以及動態變形監測系統很有必要。本文主要介紹動態變形監測系統的建設方案。

2　監測手段

對于變形的監測，我們可以采用激光測量，周期性測量隧道模型應變變化，并對采集來的數據進行分析整理，與初期模型對比，動態的監測二次襯砌結構的微小形變，建立動態模型。通過位移邊界條件確定應力函數，推斷出圍巖及支護結構內部的應力，與其能抵抗的最大的高地應力進行比較，進而由材料的性能判定是否會出現變形過大，開裂，破壞等問題，以便及時采取措施。

2.1　模型建立

在隧道洞口截面處二襯結構可近似看作無上部荷載，僅受自身重力作用，見圖1。因應變，徐變微小，故假設洞口截面處二襯結構無變形，為初始截面α0，監測周期為T，將T0時初始截面α0的監測數據作為收斂變形觀測依據。

2.2　絕對位移觀測點，初始觀測數據的建立

通過附近二級水準測量點與附和水準路線，在隧道洞口截面建立絕對位移觀測點H。在隧道左上點鋪設長為整個隧道的軌道與高精度可移動激光測距模塊，通過數個測量點并結合隧道設計時的形狀，建立T0時隧道初始截面的尺寸形狀α0。設隧道總長度為L，監測密度為ρ，截面數量為m，則每隔L/m截取一個監測斷面；監測模塊移動到下一個監測斷面，在該斷面測量斷面尺寸并確定該斷面與上一斷面的相對位置，以此類推，通過斷面確定隧道整體在T0時的位置與形狀尺寸，即為初始觀測數據M0,見圖2，將此作為應變位移觀測標準數據。

2.3　各時期觀測數據Mn

每隔T對隧道進行一次整體各斷面掃描，以同樣方式建立Tn時隧道的觀測數據Mn。

2.4　數據動態處理

通過實時觀測各個監測斷面Tn時的隧道動態觀測數據Mn，將數據Mn與初始數據M0對比微量應變變形，發現Tn時隧道的應變；由施工時埋設應力計或應力磚等得知T0時模型受的初始應力，建立彈性力學模型，由已知位移變形條件，求解應力函數；二襯結構多為素混凝土或鋼筋混凝土，即可知材料應力與應變的關系，可得知隧道整體應力狀態，動態監測結構承載力集中，突變，不足等危險截面位置，及時分析原因，對數據進行分析，從而得出相應的風險等級，采取維護措施。

3　維護措施

由案例我們可以得知，在建設隧道的時候，由于各種因素的存在，隧道時常會發生病害。而隧道各種病害問題均會產生不同的隧道變形形式與尺度。它不僅嚴重影響了隧道的施工進度，造成損失；一旦產生病害整治起來十分的棘手，不僅浪費巨大的資金，而且同時會損失時間。所以對于隧道的動態維護顯得尤為重要。監控下及時的發現隧道可能產生的病害，未雨綢繆，加以維護。在近年以來，人們在隧道支護的研究上也花費了很大心血。

在惡劣的環境中，導致隧道病害的原因可以概括為兩點，第一，地應力的發展，導致支護結構的強度不足；第二，在施工期間襯砌結構的防水措施做的不完善，出現漏水的情況，因為水等具有腐蝕性物質的存在，導致支護結構的不足。針對后者可以采取滲漏水的措施補救，對于前者，運營中的隧道無法通過擴大變形的手段來釋放，減緩高地應力的特點，只能從圍巖和支護結構的強度上來對隧道進行維護。

首先利用錨桿對隧道的支護對隧道的大變形防止已經得到了很大的成果[4]，但是由于錨桿對圍巖的依賴性較高，而且錨桿的支護具有本身的局限性。例如：在一些巖體發育的地段，錨桿無法發揮自身的支護作用，此時的錨桿很難和隧道內的巖體形成整體，從而起不到有效的支護作用，而且容易形成局部承壓，造成危害加大。

因此，在近年來的隧道支護中，不僅采用錨桿支護，同時采用設置預應力錨索[5]對隧道進行支護。預應力錨索不依賴于圍巖強度，主要利用其較高的預拉力，不僅能使巖塊間的裂隙更好的閉合，提高了巖體內部的摩擦力，而且可使圍巖應力狀態向三向應力狀態轉化，三向受力狀態下的巖體的強度得到更好的提高，從而提高隧道支護結構的支護效果。在這些方面，錨索的支護可以彌補錨桿在隧道大變形支護上的局限性，從而可以更好的維護隧道的運營。

預應力錨索支護的主要機理是鋼絞線具有較高的抗拉能力，把預應力錨索打入隧道周圍內的巖體內部，利用較高的預拉力使圍巖處于三向受力狀態，使巖體得到加固，從而控制隧道的收斂位移，減小隧道的變形。

預應力錨索對隧道大變形的維護主要在以下三個方面起作用：

1)對松動區和塑性區的巖體有加固的作用?？梢栽阱^索和需要支護的各個巖層形成一個組合梁的結構，從而加強了其整體性，使圍巖的強度得到提升。

2)可以有效的改善圍巖的應力狀態，避免了應力集中的現象，從而削弱隧道的大變形問題。

3)在一定程度上可以提高圍巖的性能，維持圍巖穩定。

由此可見，在支護機理上預應力錨索對隧道的支護作用有很大的優越性，在最大限度上可以減少隧道事故所引起的損失。所以，在結合動態的隧道監測措施之后，當有問題的時候人員可以及時的發現問題所在，之后加以用錨索和錨桿的綜合支護手段，可以在一定程度上較好的處理隧道的大變形問題，避免工程問題。

4　結語

隧道在我國交通中的應用越來越廣泛，因而在隧道運行中出現的問題處理手段也顯得十分重要。本文將隧道中產生的病害歸結到變形問題，并提出了較好的動態檢測手段和支護手段，建立了模型并且提出一套較為完整的動態監測方案。

完善相關監測措施與軟件，適應時代發展的需求，結合信息技術與專業知識建立大型數據庫，通過建立遠程監控系統與動態管理措施，實現資源共享，在全國進行推廣運用，將有效的預防和減少由于隧道結構的失穩和裂損導致的生命財產損失。

參考文獻:

[1]魏來,劉欽,黃沛.高地應力軟巖隧道大變形機理及控制對策研究綜述[J].公路,2017,62(7):297-306.

[2]余莉,尤哲敏,陳建平,等.高地應力地區隧道圍巖分級研究[J].現代隧道技術,2015,52(3):23-30.

[3]劉偉.家竹箐隧道煤系地層段病害特征及成因分析[J].隧道建設,2014,34(10):921-925.

[4]沙鵬,伍法權,李響,等.高地應力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護受力特征[J].巖土力學,2015,36(5):1407-1414.

[5]劉富強.大變形隧道預應力錨索參數設計方法研究[J].交通世界(建養·機械),2012(6):186-188.