風化砂巖隧道塌方處治及智能應力應變監測分析

覃珍波 薛魁 黃彬華

在風化砂巖地區修建的隧道由于圍巖結構層之間粘聚力低，容易出現掉塊及滑塌等現象。文章以廣西某高速公路隧道施工為背景，針對隧道施工中出現的塌方現象，分析了塌方成因與處治措施，并采用智能應力應變監測技術，收集病害處治處實時的隧道圍巖應力與應變數據以及支護結構健康情況等信息，反饋支護結構工作狀態，以判斷支護結構的穩定性，為后續類似隧道工程提供參考。

隧道施工;風化砂巖;塌方;病害處治;應力應變監測

U458.3A301072

0 引言

在砂巖地區修建的隧道，由于風化砂巖的圍巖結構面發育，層間粘聚力很低，掌子面常有少量或大量流水。水會使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開挖后產生的空洞導致巖體有空間往下墜落。雖然圍巖巖體表觀較完整，但是穩定性較弱，容易掉塊及滑塌。本文以廣西某高速公路隧道施工為背景，針對隧道施工中出現的塌方現象，通過病害處治后，采用智能應力應變監測技術，收集病害處治處實時的隧道圍巖應力與應變數據以及支護結構健康情況等信息，反饋支護結構工作狀態，以判斷支護結構是否穩定，為后續類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

廣西某高速公路隧道樁號為ZK424+195～ZK429+537（5 334 m）/YK424+203～YK429+520（5 325 m）。左線Ⅴ級圍巖714 m，Ⅳ級圍巖2 150 m，Ⅲ級圍巖2 470 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比53.6%;右線Ⅴ級圍巖705 m，Ⅳ級圍巖1 990 m，Ⅲ級圍巖2 630 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比50.61%。軟弱圍巖占比較高，屬中-強風化砂巖。

2 隧道塌方處治

該高速公路隧道右線YK429+611～YK429+608于開挖過程中出現滑塌，塌方高度為3 m，縱向長7 m，塌方方量約60 m3，初支型鋼被損壞2榀。

2.1 塌方原因分析

隧道開挖至該掌子面時，圍巖揭露為中-強風化砂巖，掌子面左側為巨厚層砂巖，右側為薄層砂巖，結構面發育，呈鑲嵌碎裂結構，層間粘聚力很低，掌子面呈淋雨狀出水。水使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開挖后產生的空洞使得巖體有下墜空間。

2.2 處治措施

（1）加強隧道右線YK429+611～YK429+608段初支，該段初支原設計為Ⅳ圍巖支護，采用Ⅰ20b型鋼拱架加強，縱向間距為50 cm。

（2）拱頂上方空腔部分應及時采用C20混凝土泵注填滿。

（3）隧道二襯由原設計40 cm加厚至50 cm。

（4）應嚴格遵循“短進尺、緊支護”的原則進行開挖。

3 隧道智能應力應變監測

針對該隧道圍巖復雜多變、病害多發的情況，項目擬在上述病害段布設智能應力應變監測系統。

3.1 監測點布設

為監測病害處治后隧道的穩定性，需要監測二襯同初支之間的應力。

鋼筋應力量測和混凝土應力量測應布置在同一個斷面，巖層變化處應調整或增設量測斷面。鋼筋應力量測和混凝土應力量測斷面按間距3 m布設。

（1）鋼筋應力監測。鋼筋應力監測點布置在隧道拱頂和拱側位置。初讀數應在澆筑混凝土后12 h內讀取，最遲≤24 h。

（2）土壓力監測。

根據本工程實際，確定土壓力測線分別布置在拱頂和拱側位置。量測斷面間距為3 m和5 m。初讀數應在安裝后12 h內讀取，最遲≤24 h。

（3）鋼表面應變測量。

鋼表面應變測點布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側位置。通過對監測結果進行分析，可以得出累計應變、單應變等曲線，并可對其進行擬合，進而預測其最終應力，用以指導施工。

（4）混凝土應變測量。

混凝土應變測點布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側位置。量測斷面間距為3 m和5 m。初讀數應在安裝后12 h內讀取，最遲≤24 h。將量測結果進行分析，可以對隧道洞室的最終變形進行預測，從而達到指導施工的目的。

（5）線路布設及調試。

在每個監測計引出一條數據傳輸光纜，匯集到信息采集箱。采集箱內的數據傳輸到值班室的數據端。安裝好后進行設備調試，采集初始數據。

3.2 監控量測數據處理

監測點布設完成后，需對現場進行量測并采集原始數據。由于現場量測所得的原始數據不可避免具有一定的離散性，其中包含著測量誤差甚至測試錯誤[1]，故需要剔除個別具有明顯異常的數據。剔除異常數據后，分析對比同一量測斷面的各項數據并相互印證，確保量測結果的可靠性。在判定圍巖和支護系統狀態方面，通過尋求圍巖變形或支護系統的受力隨時間變化和空間分布規律來實現[2]。

現場量測數據是隨時間和空間變化的，可以用變化曲線關系圖表示量測現場的情況，繪制位移、應力與時間t的關系曲線，如圖1～2所示。

從圖1可知，鋼筋應力在允許范圍以內;在圖2中，土壓力與時間關系曲線平緩。可見通過病害處治后圍巖自穩能力較高，雖然左側拱腳處土壓力呈上升趨勢，但是壓力較小可忽略，后續繼續觀察土壓力無突變情況且在規范允許范圍內，可判定支護結構處于穩定狀態。

4 結語

（1）風化砂巖類型隧道圍巖情況復雜多變，圍巖穩定時不能掉以輕心、盲目加快施工進度。若出現巖層產狀為順層形式或沿節理面有水滲出時，極易發生

掉塊滑塌。出現該種情況應減小每循環施工進尺，進行弱爆破并加強超前支護，避免災害發生。

（2）通過智能應力應變監測技術，實時掌握圍巖應力應變數據以及支護結構的工作狀態信息，判定病害處治效果。而智能應力應變監測技術不僅僅只用于監測病害處治，還可用于隧道施工的每一環節，達到確保安全施工的目的。

[1]金 松，潘 龍.淺談山區高速公路雙連拱隧道監測的意義[J].工程與建設，2008，22（2）：252-254.

[2]卿立春.隧道工程監控量測技術[J].科技風，2010（7）：127-128.