基于監測數據的軟弱地層偏壓隧道變形分析

顏富宇,朱自強,魯光銀,董 潔

(中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083)

0 前 言

目前,隨著我國經濟的快速發展,對道路等基礎設施建設的需求越來越大,在許多地區進行淺埋隧道的施工難以避免。淺埋隧道在其洞口段常常存在偏壓、上覆地層風化嚴重等不良因素,容易引起安全事故[1-2]。淺埋隧道變形監測對象主要是地表、圍巖、初支和二次襯砌等方面。王祥秋等[3]對隧道進行了拱頂下沉和周邊位移收斂監測,并對比數值模擬結果,總結偏壓隧道圍巖變形規律;徐望國等[4]對使用CRD開挖的淺埋偏壓隧道進行圍巖變形及結構內力檢測;岳向紅等[5]對松軟地層暗挖隧道進行了現場監測,根據監測數據,總結圍巖和支護系統的變形特征;朱小堅[6]依托錦所隧道項目,對隧道進行了沉降監測,并對數據進行統計分析,發現在采用雙側壁法開挖施工過程中,需要在第一個導洞施工時沉降量特別大,需要及時支護;楊波等[7]對淺埋偏壓隧道的初支和二次襯砌進行檢測,研究發現受力方面,存在偏壓現象;王樂平[8]根據現場施工情況,對隧道圍巖應力、邊坡水平位移及支護變形等進行了監測;代樹林等[9]通過對回頭溝隧道地表及圍巖變形進行監測,總結分析偏壓隧道變形規律;徐劍波等[10]不僅對圍巖變形監測,還對鋼支撐壓力、錨桿軸力進行了監測。

本文以楊梅隧道為研究對象,對地表下沉、周邊位移收斂、拱頂下沉進行監測,對比分析地表下沉與拱頂下沉的關系,分析隧道及地表的變形特征,并根據現場情況提出洞口治理建議,為類似的淺埋偏壓隧道安全施工提供依據。

1 項目概況

楊梅隧道位于吉安市安福縣嚴田鎮楊梅村附近,為一座分離式隧道。隧道左線起訖樁號為ZK54+850～ZK55+460,全長610 m。隧道右線起訖樁號為YK54+865～YK55+425,全長560 m。隧道區位于武功山隆起構剝蝕低山丘陵盆地的東南側,屬于構造剝蝕丘陵區,受萍鄉—廣豐區域斷裂帶構造控制,區內地層及山脈總體呈北東向伸展,隧道走向與山脊的走向成大角度相交,沿洞軸線最大地面標高約為364.20 m,地形起伏,隧道進洞口位于斜坡地段,山體自然邊坡20°～30°,坡體被第四系覆蓋層所覆蓋,植被以根系發達的樹木為主,通視條件較差;隧道出洞口位于山體斜坡地帶,自然斜坡約為20°～30°左右,山體植被茂密,通視條件差。隧道區內微地貌發育,主要為山脊、山體斜坡及埡口。隧道區的地表水系發育,山坡多為雨季降水形成的季節性面流,溝谷地可能形成短暫季節性洪流。區內地表最大的水體為進洞口發育的山間溪流,水流量大。

2 圍巖及仰坡變形

根據對現場實際情況的監測發現,在ZK54+865等斷面拱頂快速下沉,最大日沉降量為13.6 mm,隧道中線左側出現環向開裂,并有向拱頂延伸的趨勢,地表出現裂縫,最大日沉降量為12.4 mm,地表裂縫。隧道穩定性較差,容易發生更大的裂縫,甚至發生坍塌等災害。

3 失穩因素及處理措施

3.1 地層巖性

隧道所在區域主要泥盆系上統錫礦山組(D3x),巖性主要為頁巖、灰巖。隧道區地層產狀為100°～150°∠15°～35°,與隧道軸線呈大角度相交,巖性以較軟巖為主,裂隙非常發育,巖體較破碎。在隧道進洞口全風化頁巖夾灰巖及黏土,地形起伏,隧道進洞口位于斜坡地段,山體自然邊坡20°～30°,坡體被第四系覆蓋層所覆蓋;隧道出洞口位于山體斜坡地帶,自然斜坡約為20°～30°左右。

3.2 氣象、水文條件

隧道所在地區屬亞熱帶季風濕潤氣候。年平均氣溫17.7 ℃,7月平均氣溫28.9 ℃,1月平均氣溫5.9 ℃,年均降水量1 553 mm。隧道區的地表水系發育,山坡多為雨季降水形成的季節性面流,溝谷地可能形成短暫季節性洪流。區內地表最大的水體為進洞口發育的山間溪流,水流量大。

3.3 處理措施

根據現場調查發現掌子面揭露圍巖為Ⅴ級圍巖,風化嚴重,整體性及穩定性極差。洞口處巖性多為黏性土及全強風化頁巖、灰巖層,力學性質差,遇水極易散化發生沉降、開裂、坍塌。在隧道施工時,由于受到應力作用和人類活動的影響,會對隧道安全施工產生不利影響,所以洞口施工采取了超前管棚等預支護。開挖施工后,根據現場觀測發現拱頂下沉較大,地表也出現裂縫,對安全施工有很大影響。在此種情況下,應該暫停掌子面開挖,對洞內初期支護再次進行注漿補強,加強仰坡系統錨桿,加撐臨時橫撐及豎向支撐等。

4 監測內容及布置

根據量測結果進行綜合判斷.確定變形管理等級,據此指導施工,變形管理等級預警值按《公路隧道施工技術規范》(JTG/T 3660—2020)中實測位移值不大于隧道極限位移值,并按其中表18.6.3位移管理等級進行判定,見表1。一般情況下,將隧道設計的預留變形量作為極限位移,而設計變形量應根據監測結果不斷修正。

表1 位移管理等級

圍巖穩定性判斷是一項很復雜且重要的工作,必須結合具體工程情況,根據所測得的位移量、位移速度及變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小等進行綜合分析判斷。當圍巖位移速度較大時,將加大量測頻率,加強監測。

為了及時跟蹤淺埋洞口地段施工時對隧道頂部土體的擾動影響和判斷隧道圍巖穩定程度,本研究主要進行的監測項目有:地表下沉量測;隧道拱頂下沉量測;隧道周邊位移量測。儀器設備為GM-52全站儀。地表下沉監控斷面測點布置見圖1,周邊收斂及拱頂下沉監控斷面測點布置見圖2,其中A為拱頂下沉監測點,B和E為上臺階周邊收斂監測點,C和D為下臺階周邊收斂監測點。

圖1 地表下沉監控斷面測點布置示意圖

圖2 周邊收斂及拱頂下沉監控斷面測點布置示意圖

5 監測結果

5.1 地表下沉變化

選取淺埋隧道偏壓隧道進口段ZK+865斷面地表下沉進行分析,地表下沉時程曲線見圖3,剖面共七個測點,其中累計沉降值最大為148.5 mm。從監測曲線可以看出,第一階段地表下沉較為緩慢,隧道還未開挖到該斷面,對地表下沉影響較小;第二階段,隨著隧道的開挖,地表累計下沉突增,根據現場觀察發現地表出現裂縫,下降速率最大16.4 mm/d。第三階段,隨著掌子面的推進,初支封閉成環和加固措施的實施,地表下沉速率減小,逐漸收斂。

圖3 地表下沉變化曲線圖

5.2 拱頂下沉

ZK+865斷面拱頂下沉曲線見圖4,累計拱頂下沉終值在152.4 mm左右,在監測的前10 d左右下沉量較大,累計沉降量約占總沉降量的81.4%,最大下沉速率14.2 mm/d,隧道內出現裂縫等現象。之后下沉速率逐漸減小,趨于穩定。

圖4 拱頂下沉變化曲線圖

5.3 周邊收斂

從圖5～圖6可以看出,上臺階和下臺階周邊收斂的趨勢基本一致,最大值分別是29.3 mm和29.0 mm,周邊收斂速率最大值均出現在布置監測點的第二天,分別為2.2 mm/d和2.5 mm/d。隨著隧道的開挖,掌子面距離該斷面越來越遠,隧道初期支護封閉成環,周邊變形越來越小,在監測后10 d左右逐漸趨于穩定。

圖5 上臺階周邊收斂曲線圖

圖6 下臺階周邊收斂曲線圖

5.4 對比分析

經過數據對比發現,累計拱頂下沉最大值大于地表累計沉降的最大值。為了更好的說明地表下沉和拱頂下沉的關系,對比了在2021年7月7日到2021年8月5日的地表下沉速率和拱頂下沉速率,見圖7,兩者速率變化的趨勢基本一致,在這段時間段內,均是在7月15日附近速率達到最大,在15號之前速率較大,在達到最大值后速率逐漸降低,逐漸趨于零。根據數據可知,累計變形量由大到小順序依次為拱頂下沉、地表下沉、周邊收斂。整體而言,淺埋偏壓隧道開挖對拱頂影響較大,對周邊收斂的影響相對較小。在淺埋偏壓隧道開挖過程中,應及時做好監測,尤其是在剛開挖后不久,應及時合理的加強措施支護措施,增強隧道整體的穩定性。

圖7 下沉速率對比圖

6 結 論

(1)監測數據表明:隧道地表沉降大致分為三個階段,最大累計地表下沉為148.5 mm,最大地表下沉速率為16.4 mm/d;最大累計拱頂下沉為152.4 mm左右,最大下沉速率14.2 mm/d;上臺階和下臺階周邊收斂最大值分別是29.3 mm和29.0 mm。

(2)通過對比分析發現,地表下沉與拱頂下沉變形趨勢大致相同,累計變形量由大到小順序依次為拱頂下沉、地表下沉、周邊收斂。隧道淺埋偏壓隧道開挖對地表和拱頂影響相對較大,對周邊收斂的影響相對較小。

(3)隧道開挖后變形量較大,隧道內和地表均出現裂縫,應及時停止施工,增加臨時加固措施,對洞內初期支護再次進行注漿補強,并進行地表注漿等措施。在采取措施后,變形均逐漸收斂,隧道整體趨于穩定。