動態(tài)原位監(jiān)測技術在順層巖體隧道的應用
——以六漢隧道工程為例

勞家榮

(廣西桂龍高速公路有限公司， 南寧 530000)

借經(jīng)濟高速發(fā)展的紅利，中國的基建事業(yè)不斷發(fā)展，技術也取得了長足的進步，得益于隧道工程的大力發(fā)展，“穿山越嶺”離人們越來越近[1-2]，但隧道工程施工期間因滑坡、坍塌、不良地質災害等造成的生命財產(chǎn)損失難以估量[3-4]。因隧道賦存地質條件顯著差異性、巖土工程介質高度非線性和實踐的局限性，諸多隧道相關問題尚處于探索和經(jīng)驗階段[5-6]，特別是地形偏壓條件下的隧道建設，時至今日，國內(nèi)外專家學者從理論層面、數(shù)值模擬角度、相似試驗及現(xiàn)場測試對其進行全方位的研究，但尚無權威文獻對此進行詳盡、準確的描述，因此，一直以來都是國內(nèi)外隧道工作者關注的熱點[7-11]。

關于地形偏壓隧道理論計算主要采用極限分析法進行，Atkinson[12]首次將該法應用到淺埋隧道穩(wěn)定性研究中，基于應力狀態(tài)基礎上，采用極限上、下限法將計算結果與已有離心機實驗結果進行了對比驗證。此后，Davis等[13]、Takemura等[14]、Osman等[15]據(jù)極限上、下限法針對特定隧道結構及影響因素推導了隧道發(fā)生破壞時圍巖破壞模式，分析隧道的穩(wěn)定性。近年來數(shù)值模擬對淺埋偏壓隧道力學計算等問題均進行了較深入和全面的研究，徐燕等[16]運用ANSYS軟件分析了偏壓隧道在交叉中隔墻交叉中隔壁法(CRD法)不同施工順序下巖體與支護的應力應變情況，了解圍巖應力、應變的變化規(guī)律以及支護結構的最大內(nèi)力值及其位置。王輝等[17]基于Python語言對ABAQUS的二次開發(fā)，研究了一種參數(shù)化計算程序，模擬了不同偏壓角和埋深對淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性的影響。LIU等[18]、LEI等[19]采用模型試驗對淺埋偏壓隧道圍巖和支護結構的力學特性開展了研究，認為偏壓導致地應力場分布不對稱、作用在支護結構上的荷載不對稱，造成局部應力集中，進而使支護結構破壞。

而今，電子信息技術的發(fā)展，眾多可靠性好、分辨率高、抗干擾性強的元件及設備，為隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量提供了定性、定量監(jiān)控手段。但在針對地形偏壓下淺埋隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量應用研究，仍未能很好應用，專門的分析研究鮮有人為，且現(xiàn)場監(jiān)控測量應用需迫進一步發(fā)展。以地形偏壓條件下的六漢隧道為工程依托，采用FLAC3D數(shù)值模擬二襯混凝土結構變形動態(tài)監(jiān)控測量，以期指導生產(chǎn)，為信息化施工、動態(tài)施工提供保障，為偏壓順層巖體科研提供重要的數(shù)據(jù)支撐，對類似隧道開挖支護有重要工程效益和參考價值。

T1為強風化頁巖夾薄層泥沙巖；T2為中風化頁巖夾薄層泥沙巖；Tb1為強風化長石石英巖夾薄層泥巖、頁巖；Tb2為中風化長石石英巖夾薄層泥巖、頁巖；T3為中風化頁巖夾薄層狀泥沙巖、粉砂巖圖1 六漢隧道地形結構簡圖Fig.1 Diagram of terrain structure Liuhan Tunnel

1 工程概況

六漢隧道位于東蘭縣武篆鎮(zhèn)境內(nèi)的河池至百色高速公路第六合同段，屬分離式長隧道，該隧道起止點里程K82+680～K83+280，長600 m，隧道的最大埋深約50 m，如圖1所示。隧道屬于中低山構造侵性-剝蝕地貌，線路斜穿向斜核部碎屑巖區(qū)，巖體裂隙較發(fā)育，隧洞圍巖主要由中風化頁巖夾薄層泥巖，中風化長石石英砂巖夾泥頁巖組成，圍巖級別為Ⅳ級，穩(wěn)定性較差，受向斜影響局部較破碎。強風化長石石英砂巖夾泥頁巖-頁巖夾薄層泥巖分布于隧道進、出口，隧道進口為順層邊坡，巖層產(chǎn)狀為275°∠30°發(fā)育兩組裂隙：①130°∠55°，4～5條/m，裂面閉合；②40°∠85°，3～4 條/m，閉合。出口區(qū)域巖層產(chǎn)狀60°∠35°，發(fā)育兩組裂隙：①245°∠40°，2～3條/m，裂面閉合；②165°∠85°，3～5條/m，閉合，圍巖級別為V級，巖體較破碎，為及時了解施工時期隧道結構穩(wěn)定性，對左線隧道淺埋區(qū)進行全面的施工監(jiān)控測量。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

研究結合依托工程的地質構造，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件針對六漢隧道段順層巖體結構，采用節(jié)理巖體模型進行數(shù)值模擬分析。本工程視作平面應變問題，考慮了巖體分層，自下而上為石英巖、節(jié)理面及頁巖；模型所采用是位移邊界條件，水平方向邊界至隧道右邊墻為60 m，右側邊界和底部邊界均受固定約束，左側面與上表面為自由邊界。隧道圍巖結構按照地層巖性設置，上層為石英巖，下層為頁巖。計算模型采用巖土工程中應用最為廣泛的 Mohr-Coulomb 彈塑性模型，該模型包含剪切和拉伸兩個準則。全場自重應力通過重力加速度g=9.81 m/s2施加，先對模型進行初始應力場平衡計算，計算完成，將位移恢復為零，然后進行隧道開挖模擬計算。計算模型巖體參數(shù)見表1。

表1 巖體物理學參數(shù)Table 1 Physical parameters of rocks

2.2 結果分析

數(shù)值模擬結果如圖2所示，可知開挖隧道在順層巖體節(jié)理面處出現(xiàn)不均衡的應力，節(jié)理面處主應力高于其他位置的應力且達到最大值，在該點附近出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，拱頂處應力相對拱腰處較小；而在巖層節(jié)理面處兩側剪切應力相差也達到最大值。主要表現(xiàn)為應力重分布與局部的應力集中，主應力在隧道臨空面附近發(fā)生明顯變化，且在隧道圍巖節(jié)理面上下面處，存在較大偏壓力及剪切應力。由此可見，淺埋順層地形條件下隧道的開挖擾動導致巖層節(jié)理面兩側巖層局部應力不均勻變化，形成新的滑動面，出現(xiàn)較大偏壓應力，可能會出現(xiàn)以隧道巖層節(jié)理面處發(fā)生變形破壞。

圖2 應力數(shù)值模擬結果Fig.2 Numerical simulation results of stress

3 隧道結構動態(tài)原位監(jiān)測

3.1 監(jiān)控測量措施

本項目在淺埋地形下充分考慮地形偏壓、地形偏壓及隧道結構穩(wěn)定性整體要求下，對隧道采取動態(tài)監(jiān)控測量提出三條原則。

(1)選擇一項多用、數(shù)據(jù)可靠和經(jīng)濟合理的監(jiān)測項目。

(2)監(jiān)測信息能反饋為下一步施工，能及時調整施工措施，準確優(yōu)化施工方案，并能為后期提供科學合理的基礎數(shù)據(jù)。

(3)針對特殊地質條件，測點的布置科學合理，且符合實際工程情況。

基于六漢隧道簡化模型數(shù)值分析和工程實踐理論分析基礎上，由于隧道順層巖體隧道結構受不均衡地形偏壓荷載，對圍巖的穩(wěn)定性與隧道結構安全性有較大的影響，隧道結構施作后，為及時掌握隧道開挖過程隧道結構的應力、應變的變化規(guī)律，選取六漢隧道進口段K82+710、K82+730、K82+750、K82+770、K82+790及K82+810與出口段K83+260、K83+240、K83+220、K83+200及K83+180里程點的隧道拱腰巖層節(jié)理面處布置監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 測點布置示意圖Fig.3 Cross-sectional view of measuring point

3.2 初支與圍巖間接觸應力監(jiān)測

2017年3月初對淺埋六漢隧道開始施工，隧道開挖采用兩端同時掘進的施工措施。針對六漢隧道左線的淺埋段地形偏壓的情況，考慮到隧道開后存在偏壓應力，為了掌握初期支護后結構承受荷載的狀況。項目采用TXR-2030型應變式微型土壓力計，通過配套的智能檢測儀直接讀取數(shù)值，在隧道洞口縱向巖層節(jié)理面處與初支的接觸面間布設長期監(jiān)測點，進行隧道長期初支與圍巖接觸面應力監(jiān)控測量。初支與圍巖接觸面地應力隨掘進量變化如圖4所示 。

圖4 初支與圍巖觸面應力隨掘進量的變化曲線Fig.4 Curve of stress of interface between initial supporting and surrounding rock with tunnel excavation length

由圖4可見，在隧道開挖后圍巖變形作用下，圍巖與初支緊密接觸，初支承擔了圍巖變形所釋放的荷載。而后隨著隧道繼續(xù)向前掘進，隧道掘進量達到80～90 m后，隧道初支與圍巖接觸應力達到穩(wěn)定狀態(tài)，而在隧道掘進20～30 m后隧道初支與圍巖接觸應力的變化速率達到最大值。由圖4(a)可知，在隧道的進口段K82+770出現(xiàn)最大壓應力約9 MPa，并在掘進50 m左右出現(xiàn)拉應力，且K82+730、K82+750點的隧道圍巖釋放的荷載作用隧掘進量呈現(xiàn)逐步遞增，最終沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4(b)可知，K83+200處出現(xiàn)了最大壓應力，且其余各點圍巖變形作用在初支的荷載最終都達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 二襯混凝土結構應變監(jiān)測

基于簡化模型的理論分析與數(shù)值模擬結果，在順層巖體偏壓隧道在節(jié)理面處出現(xiàn)較大不均衡的應力，為了進一步掌握圍巖偏壓應力作用在初支后，初支有效荷載對二襯混凝土結構作用的荷載變化規(guī)律。把應變片安裝在二襯混凝土結構中，通過智能數(shù)字應變儀HZ-1讀取應變數(shù)據(jù)。對隧道進口段與出口段的前面地區(qū)的二次混凝土結構進行現(xiàn)場的長期的監(jiān)控，直到二襯混凝土結構的變形基本達到穩(wěn)定后結束監(jiān)控測量，六漢隧道二襯混凝土結構應力隨時間的變化如圖5所示 。

圖5 初二襯應變隨時間的變化曲線Fig.5 Curve of strain of secondary lining with time

由圖5可以看出，在新噴射二襯混凝土在前30 d左右凝固期其測點應變隨時間的變化較小，由于水化熱的影響二襯混凝土初期凝固有時測點監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)負值；在第30 d后二襯混凝土結構的變形隨時間的逐漸增大，在第80～90 d后，其結構變化達到基本平衡；但在第30～50 d其變化速率達到最大，而后其變化速率逐漸遞減，最后趨于平緩，達到平穩(wěn)狀態(tài)。由圖5(a)可知，進口段K82+770處二襯混凝土結構的應變在第30 d左右后，迅速增大，在第70 d的時候其變化值為零，該處的二次結構遭到嚴重的破壞，應變片已損壞；K82+710、K82+730、K82+750樁號里程點處的二襯結構的變形達到峰值后其變形隨時間逐漸減小，且經(jīng)過近9個月的監(jiān)測時間，其變形都無法達到平衡。由圖5(b)可知，經(jīng)過長期對隧道出口段幾處二襯混凝土結構的變形監(jiān)測，K83+200處結構的應變最大，K83+260處結構的變形最小，但最終結構的變形基本都達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 綜合分析

通過對淺埋偏壓順層六漢隧道結構的應力應變的長期動態(tài)監(jiān)控測量，得到了初期支護與圍巖接觸應力值和二次襯砌混凝土應變值，而由公式δ=Eε計算得到二襯結構承受荷載值，進口段應力平均為1.73～3.45 MPa，出口段應力平均為0.43～1.01 MPa。并對監(jiān)測結果進行了對比分析，對比圖4(a)與圖5(a)、圖4(b)與圖5(b)可以看出，初支結構承受了隧道圍巖的大部分作用有效荷載，而二襯結構承擔的有效荷載遠小于初支結構，進口段隧道圍巖傳遞的有效作用荷載較大，同時二襯結構的變形也較大。

圖6 K82+710～K82+770段二襯裂紋圖Fig.6 Secondary lining crack in K82+730～K82+770 segment

根據(jù)六漢隧道現(xiàn)場觀察，在2017年11月左右，進口段二襯結構在拱腰處順層巖體偏壓造成不均衡的作用荷載，出現(xiàn)縱向微裂紋，且隨著時間變化，二襯結構的微裂紋不斷沿縱向擴展，如圖6所示。而混凝土抗折強度約為其立方體抗壓強度的1/10～1/5，在進口段處作用在二襯結構的有效荷載大于結構的抗折強度設計值因此進口段襯砌混凝土不能滿足抗折強度要求，結構無法承受圍巖變形。

4 結論

(1)基于FLAC3D模擬結果，節(jié)理面層處存在局部最大不均衡應力，故選取順層巖體隧道節(jié)理面層處布設原位監(jiān)測點，側向偏壓下二襯結構破壞點與節(jié)理面層處最大不均衡應力作用點基本一致，理論分析結果與現(xiàn)場開裂情況相符。

(2)通過六漢隧道初支與圍巖接觸面應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，掘進量20～30 m后初支與圍巖接觸應力的變化速率達到最大值，掘進量達到80～90 m后隧道初支與圍巖接觸應力基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以根據(jù)掘進量及時掌握圍巖應力釋放程度，為下一步施工及支護時間提供科學合理依據(jù)。

(3)初支與圍巖接觸應力和二襯結構變形監(jiān)測結果對比分析表明，初支結構承受了隧道圍巖變形大部分有效荷載，二襯分擔了部分圍巖傳遞的有效偏壓力。現(xiàn)場監(jiān)測和δ=Eε理論計算可知，C25二襯鋼筋混凝土結構承擔的有效應力大于1.73 MPa，二襯結構可能會產(chǎn)生一定損傷和破壞。