王家灣隧道圍巖變形監(jiān)測與分析實例研究

吳 潔，雷 蕾，李海峰

(1.成都信息工程大學 物流學院 成都市 610103； 2.中鐵西南科學研究院 成都市 610031)

王家灣隧道位于陜西省延安市安塞縣王家灣鄉(xiāng)，施工過程中易發(fā)生塌方和圍護結構大變形等，嚴重威脅施工人員的安全，開展隧道監(jiān)控量測工作十分必要[1]。與傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控量測相比，王家灣隧道采用非接觸監(jiān)控量測，利用電腦全站儀布置測點，結合隧道施工監(jiān)測信息化平臺系統(tǒng)分析處理，得出隧道拱頂?shù)淖兓椭車乃轿灰屏浚Y合預警基準和現(xiàn)場情況，指導施工[2]，保障施工安全。在王家灣隧道的監(jiān)測工作，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 監(jiān)控量測目的

(1)確保施工安全

以變形量測(必測項目)的反饋最為直接，及時發(fā)現(xiàn)不安全征兆，采取相應措施，確保施工安全，規(guī)避或減少損失。

(2)確保結構的長期穩(wěn)定

針對某些特殊隧道或段落，除施工過程中的嚴格要求外，增設長期應力量測(選測項目)項目，收集和掌握隧道的長期穩(wěn)定性，及時采取措施。

(3)通過監(jiān)測反饋-指導施工-優(yōu)化設計

通過監(jiān)控量測工作的具體認真落實，及時反饋信息，結合實際施工情況進行分析，進而指導施工和設計的優(yōu)化。

(4)為信息化設計和施工提供依據(jù)

積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，指導下一步隧道信息化設計和施工[3]。

2 測點布設原則

2.1 拱頂下沉和水平收斂測點

根據(jù)設計圖要求，隧道采用三臺階法施工，其點位布設按圖1進行布置[4]。

三臺階法圖1 拱頂下沉還和水平收斂測點布置圖

2.2 測點布設要求

(1)拱頂下沉和水平收斂測點應布置在同一斷面上。

(2)初支應與圍巖密貼，測點埋設在鋼架、格柵等初期支護上。

(3)測點應在初支支護后立即埋設，測點需在開挖后8h內埋設完成，初始讀數(shù)應在測點埋設12h內讀取。

(4)拱頂下沉測點應埋設在拱頂軸線附近，數(shù)值采用絕對高程，周期性復核后視點，保證其數(shù)據(jù)可靠性。

2.3 地表沉降測點

測點應在隧道開挖前布設，橫向間距為2～5m，按圖2所示進行布置，在隧道中線附近測點應適當加密，隧道中線兩側測量范圍應不小于H0+B。

圖2 地表沉降橫向測點布置圖

3 監(jiān)測方法

3.1 拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測

拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測采用全站儀配合反射膜片進行。

測點埋設：采用直徑不小于20mm的螺紋鋼，尾端(隧道洞內方向)進行45°斜切形成斜切面或者端部焊接鋼板，斜切面處或鋼板上面粘貼測量專用反射膜片(不小于1cm×1cm)。

標識要求：測點布設以后，在測點位置用紅色油漆做醒目標識，每個斷面左右側各布設1個標示牌，及時記錄展示相關信息，監(jiān)測點上嚴禁懸掛物品。

保護要求：測點及時進行布設，并做好保護，防止破壞。現(xiàn)場監(jiān)測與施工必須緊密配合，施工現(xiàn)場應提供監(jiān)測工作時間，保證監(jiān)測工作的正常進行，監(jiān)測測點的埋設計劃應列入工程施工進度控制計劃中。

破壞與松動處理要求：如果測點被破壞，應在被破壞測點附近補埋，重新進行數(shù)據(jù)采集；如果測點出現(xiàn)松動，則應及時加固，重新讀取初讀數(shù)。

3.2 地表沉降監(jiān)測

地表沉降監(jiān)測可采用全站儀進行，沉降測點埋設時先在地表鉆孔，然后埋入沉降測點，外露1～2cm，四周用混凝土填實。測點一般采用直徑20～30mm，長50～100cm半圓頭鋼筋制成。

4 實例

4.1 工程概況

王家灣隧道最大埋深約220m，最淺埋深約20m，進口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全長7288m。王家灣隧道開挖工法為三臺階開挖法，洞內主要穿越粉質黏土，全風化、強風化細砂巖，圍巖主要為IV級和V級，初支采用格柵鋼架。

4.2 地質情況

王家灣隧道地處中朝古地臺鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)，區(qū)內地質構造相對簡單。褶皺和斷裂不發(fā)育，地勢東高西低，總體上為一傾向西～西北的單斜構造。隧址區(qū)廣布白堊系下統(tǒng)砂巖，斜層理極其發(fā)育。區(qū)域上無大的構造活動，無大型褶皺和斷層，地質構造簡單。隧道沖溝底部有流水，水面高程約為1302m。地表水主要為大氣降水及基巖裂隙水滲出形成地表徑流，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)、地表徑流及滲入為排泄條件，水量較少，受季節(jié)性降水影響大，雨季水量大且集中，非雨季無水或水量較少。

王家灣隧道2號斜井正洞DK271+340～840段隧道長500m，隧道洞身地層砂巖，全風化，呈角礫狀松散結構：強風化，砂質結構，厚層至巨厚層狀交錯層理結構，巖質較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀鑲嵌結構。勘測期間存在基巖裂隙水，埋深為14.7m，水位高程1302.67m，水位變幅2.0～5.0m，水面埋深位于開挖面以上，局部斜層理破碎地段可能會賦存較多地下水，主要受地下水徑流補給，水量較大，隧道圍巖等級V級。

4.3 預警情況

監(jiān)控量測小組進行圍巖量測，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)2016年10月6日10:32 DK271+590處水平收斂變化較大，在重新復測確認后，上傳數(shù)據(jù)。預警信息如下：

(1)DK271+590黃色預警，日收斂值1.68mm。

(2)DK271+590黃色預警，累計收斂值46.51mm。

4.4 預警處理

(1)處理機制

2016年10月6日，蒙陜指揮部在11:48收到王家灣隧道2號斜井正洞大里程方向DK271+590黃色預警，工區(qū)立即組織工程技術部、質量安全部到現(xiàn)場，會同鐵四院(湖北)工程監(jiān)理項目部、中鐵十八局集團MHTJ-5標項目經(jīng)理部到王家灣隧道2號斜井進行現(xiàn)場察看，對黃色預警情況和現(xiàn)場應急處理措施進行研究討論。

圖3 DK271+590斷面預警處理情況圖

(2)原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場查看和數(shù)據(jù)對照得出原因主要為該段位于強風化，砂質結構，厚層至巨厚層狀交錯層理結構，巖質較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀鑲嵌結構，局部斜層理破碎地段可能會賦存較多地下水，主要受地下水徑流補給，水量較大；隧道埋深約11.4m，地層砂巖，全風化，呈角礫狀松散結構；該段落格柵鋼架尚未封閉成環(huán)。

(3)預警處理

針對上述情況經(jīng)由業(yè)主、監(jiān)理、設計、施工單位研究并制定處理措施，對現(xiàn)場處理提出按照“勤量測、早封閉、快支護”的原則，對開裂段落進行加固補強，確保施工和結構安全的要求。同時，要求監(jiān)控量測組對加固圈拱頂沉降、周邊收斂變形加密測量，并同步開展王家灣隧道相關里程段相應部位應力測試及分析工作。

4.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圍巖變形情況：斷面DK271+590仰拱封閉前拱頂、周邊收斂累計變形量分別為72.5mm、20.26mm、52.73mm，如圖4～圖6，拱頂累計值約41d后趨于穩(wěn)定，左洞典型斷面周邊收斂累計值27d后趨于穩(wěn)定，右側洞典型斷面周邊收斂累計值41d后趨于穩(wěn)定；累計值-時間曲線總體呈“廠型”，即變形監(jiān)測曲線的變化大致分為三個階段：快速上升階段，緩慢上升階段，平穩(wěn)階段。

圖4 DK271+590斷面拱頂變形累計值

圖5 DK271+590左側洞斷面收斂一變形累計值

圖6 DK271+590右側洞斷面收斂變形累計值

從圖中所示數(shù)據(jù)情況可以看出：拱頂變形在仰拱初支封閉后，變形得到有效抑制，但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%，說明加固圈的支護強度不足以抵抗當前圍巖的應力，使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應力，允許圍巖有一定變形；拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%，并且拱頂位置圍巖應力大于拱腰位置圍巖應力，說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài)，可以優(yōu)化隧道截面曲率，使隧道結構受力得到優(yōu)化。

5 結語

施工過程中通過及時的監(jiān)測信息反饋指導施工，確保了結構自身的安全穩(wěn)定，從而有效地將施工控制在安全范圍之內。根據(jù)王家灣隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出以下幾點變形規(guī)律：

(1)下部開挖過程中會出現(xiàn)較明顯的沉降或收斂。

(2)工序之間的銜接不及時也會造成較明顯的沉降或收斂。

(3)在開挖仰拱完成初支成環(huán)后2～3d內，沉降與收斂會得到逐步控制，變化量基本穩(wěn)定。

(4)拱頂變形在仰拱初支封閉后，變形得到有效抑制，但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%，說明加固圈的支護強度不足以抵抗當前圍巖的應力，使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應力，允許圍巖有一定變形；拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%，并且拱頂位置圍巖應力大于拱腰位置圍巖應力，說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài)，可以優(yōu)化隧道截面曲率，使隧道結構受力得到優(yōu)化。

(5)隧道圍巖開挖過程中，變形監(jiān)測曲線的變化大致分為三個階段：快速上升階段，緩慢上升階段，平穩(wěn)階段。左側洞開挖過程會對右側洞產(chǎn)生影響，右側洞典型斷面收斂值趨于穩(wěn)定的時間長于左側洞。