河惠莞高速公路佳龍嶂隧道淺埋段圍巖變形分析

周 杰， 董建輝， 邱洪志

(1.西華大學 土木建筑與環境學院， 四川 成都 610039；2.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，在我國的山地公路或鐵路隧道建設中，淺埋的山嶺隧道較為常見[1].就淺埋隧道而言，其顯著特點就是埋深淺，圍巖自穩性差，不能有效形成應力拱，隧道開挖后初襯可能會承受巨大的圍巖壓力，如果支護設計不足或施工操作不當，則易發生垮塌等安全事故[2-3].相關研究表明，在淺埋隧道施工過程中，影響圍巖變形的因素眾多，致塌機制復雜，加上基礎資料匱乏，導致隧道的施工安全控制難度極大[4-8].對此，本研究擬通過對河惠莞高速公路佳龍嶂隧道沖溝淺埋段隧道開挖過程中拱頂下沉及周邊收斂監測數據進行分析，探討淺埋隧道在開挖過程中的變形規律，擬為類似工程施工提供指導.

1 工程概況

1.1 工程概述

廣州河惠莞高速公路佳龍嶂隧道為雙線分離式隧道，兩隧道間距約30 m.隧道地址位于低山地貌溝谷斜坡區域，隧道走向近乎垂直于山脊走向，隧道巖體主要為全風化～微風化花崗巖.隧道里程樁號YK126+180～YK126+244段穿越沖溝淺埋段，其埋深僅8 m左右，表層為厚0.2～0.5 m的腐殖土.地層從上到下依次為粉質黏性土及全風化花崗巖、強風化花崗巖、中—強風化花崗巖，巖體含有地下裂隙水.隧道淺埋段地質情況如圖1、2所示.

圖1佳龍嶂隧道淺埋段地質斷面圖

圖2佳龍嶂隧道I-I剖面圖

1.2 隧道淺埋垮塌處概況

在實際工程建設中，隧道按CD開挖法掘進，2017年6月27日凌晨1∶00，當隧道開挖至沖溝淺埋段YK126+237處時，右隧道左導洞拱頂發生塌方，此后拱頂間斷塌落，15 h后隧道已冒頂，地面形成了一個直徑約5 m的坑洞，總塌方體積約180 m3，具體如圖3所示.

圖3現場塌方示意圖

2 隧道變形監測分析

2.1 監控量測方案

本研究通過對隧道洞內監測斷面YK126+244與YK126+260監測數據的分析，探究淺埋隧道的圍巖變形規律.隧道洞內監控量測布點方案為：在拱頂下沉及周邊位移監測中，監測斷面按間距5～30 m不等埋設，因隧道沖溝淺埋段圍巖穩定性較差，所以適當加密布置，每隔5 m布設一個斷面，每個斷面增設下沉拱頂監測點A′、C′和拱腰位移監測點b′.由于隧道開挖采用了CD法施工，當先開挖左導洞上臺階時，布設拱頂下沉監測點A′、A、C′以及位移監測b-b′測線；隨后開挖右導洞上臺階時，布設拱頂下沉監測點B、C及周邊位移b′-b測線，原監測點A′、C′及測線b-b′停止監測；開挖下臺階后，布設a-a測線.隧道洞內測點布置如圖4所示.

圖4隧道洞內監控量測布點圖

2.2 監測數據分析

在實際監測時，隧道洞內監測點在下一開挖循環前完成布設并測取初始讀數.根據現場監測數據繪制位移時程曲線圖和位移速率時程曲線圖，當位移—時間曲線出現反彎點時或速率曲線圖上升時，表明圍巖和支護狀態不穩定，需及時加強支護，采取各種安全措施，必要時停止掘進.

2.2.1 變形與時間分析.

隧道沖溝淺埋段監測斷面YK126+244和YK126+260的拱頂下沉和周邊位移時程曲線如圖5～8所示.

圖5 YK126+244斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖6 YK126+244斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

圖7 YK126+260斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖8 YK126+260斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

1)監測斷面YK126+244離坍塌位置縱向距離約7 m，受其影響最大，時程曲線大致可分為3個階段：加速變形階段(AB段)，隧道剛開挖成形，圍巖應力分布發生急劇變化，拱頂下沉曲線表現出相對較大的斜率，但隨著時間的延續，變形逐漸趨于正常狀態，位移速率有所減緩，表現出減速變形的特征，該階段持續時間長達14 d，拱頂位移量達到24.0 mm，最大位移速率達到4 mm/d，洞身收斂b位移量達到7.2 mm，最大收斂速率達到1.4 mm/d；等速變形階段(BC段)，在初始變形的基礎上，在重力作用下，拱頂圍巖基本上以相近的速率繼續變形，因不時受到外界因素的干擾和影響，其變形曲線可能會有所波動，但此階段累積位移曲線總體趨勢為傾斜直線，宏觀變形速率基本保持不變.該階段中位移量達到34.6 mm，最大位移速率達到1.2 mm/d，洞身收斂位移量達到7.2 mm，最大收斂速率達到1.2 mm/d；平穩變形階段(CD段)，圍巖應力分布基本達到平衡狀態，下沉曲線呈現出較小的斜率，位移速率曲線總體平緩，不斷減小，該階段中拱頂位移量達到37.0 mm，最大位移速率達到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達到6.0 mm，其中最大位移速率達到0.4 mm/d，表明圍巖變形已基本穩定.前兩階段圍巖變形量占觀測期間總變形量的93%，因此需重點關注該兩個階段的圍巖變形.

2)監測斷面YK126+260在加速變形階段持續時間為6 d，拱頂位移量達到10.2 mm，最大位移速率達到3.6 mm/d，洞身收斂b位移量達到4.2 mm，最大收斂速率達到1.3 mm/d；在等速變形階段期間，拱頂下沉變形速率突然呈現出不斷加速增長的趨勢，直至6月27日圍巖失穩之前，變形速率曲線近于陡立，達到了3.0 mm/d，說明加速變形階段是圍巖失穩發生的基礎和前提，因此拱頂圍巖的加速變形階段對于隧道失穩變形的預警預報具有十分重要的意義；坍塌穩定后變形速率逐漸減小進入平穩變形階段，該階段中拱頂位移量達到35.6 mm，最大位移速率達到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達到8.6 mm，其中最大位移速率達到0.2 mm/d，表明圍巖變形已基本穩定.

2.2.2 變形與開挖進尺分析.

隧道掌子面里程與監測斷面YK126+244拱頂下沉關系曲線圖如圖9所示.

因掌子面YK126+237坍塌停工，監測斷面的圍巖得到了充足的變形時間，根據位移速率曲線圖可知已基本穩定.待到7月15日繼續掘進時， 下沉曲線繼續緩慢增加，此時該斷面的拱頂下沉變形主要由掌子面的推進所引起的，掌子面推進到YK126+206后，下沉曲線總體上呈水平，不再增加，表明從YK126+244到YK126+206間的38m隧道掘進對其拱頂下沉有影響.同樣，YK126+260斷面的拱頂下沉曲線在掌子面開挖至YK126+215后基本水平，此時距離YK126+260監測斷面45 m.總體說明掌子面的推進將對距掌子面約40 m范圍內的周邊圍巖變形產生持續影響.

圖9開挖進尺與監測斷面YK126+244拱頂下沉關系曲線圖

3 結 論

本研究通過具體工程實例，分析了淺埋隧道在掘進中周邊圍巖的變形情況，得出如下結論：

1)YK126+237坍塌分別發生在監測斷面YK126+260的等速變形階段和YK126+244的加速變形階段，YK126+244在加速變形階段的速率減小趨勢明顯小于YK126+260，加之YK126+260在等速變形階段的突然加速變形，綜合起來可作為隧道失穩變形的預警預報.

2)淺埋隧道開挖過程中，掌子面的推進將對后方約40m范圍內的周邊圍巖變形產生影響，開挖時應持續關注該范圍內的圍巖變形情況.

3)淺埋隧道圍巖變形曲線圖大致可分為加速變形、等速變形和平穩變形3個階段.圍巖的主要變形發生在前2個階段，在該階段隧道最容易發生失穩塌方、冒頂等事故，因此，在實際工程中應重點監測.