隧道淺埋段監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及冒頂預(yù)測

黨利民

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的不斷進(jìn)步,國內(nèi)公路隧道得到大量的建造。目前國內(nèi)隧道設(shè)計(jì)及施工多依照新奧法原理,新奧法核心之一即是利用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù)及預(yù)測隧道施工安全。可見監(jiān)控量測在隧道施工中有著舉足輕重的地位,當(dāng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)如何進(jìn)行預(yù)警目前主要有兩種分析方法:其一,通過累計(jì)變形量做一預(yù)測;其二,通過變形速率進(jìn)行判斷[1]。方法一要求預(yù)先給出允許變形量,主要以經(jīng)驗(yàn)得到,方法二預(yù)警時(shí)間容易滯后。本文主要通過采集典型土質(zhì)單線三車道隧道得到的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對隧道塌方冒頂做一定的預(yù)測及分析。

1 工程概況

本工程隧道所經(jīng)過地區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬于粵中地塊,早古生代時(shí)期屬于加里東地槽褶皺帶,中、新生代屬于陸緣活化造山帶的一部分,出現(xiàn)了大面積的巖漿侵入。右線出口洞口段為淺埋,地質(zhì)主要呈紅褐色、黃褐色、灰黃色、灰褐色,硬可塑,粘性差,為坡積土。隧道淺埋段開挖方式主要以雙側(cè)壁預(yù)留核心土開挖為主。

2 隧道右線洞內(nèi)塌方情況

本工程隧道側(cè)壁導(dǎo)坑塌方發(fā)生在右線右側(cè)壁導(dǎo)坑和右線左側(cè)壁導(dǎo)坑位置,右線右側(cè)壁導(dǎo)坑塌方具體里程樁號為YK5+156,右線左側(cè)壁導(dǎo)坑塌方具體里程樁號為YK5+154,右線右側(cè)壁導(dǎo)坑塌方發(fā)生時(shí)間為2009年2月8日20時(shí)～2009年2月8日22時(shí),右線左側(cè)壁導(dǎo)坑塌方發(fā)生時(shí)間為2009年2月9日15時(shí)～2009年2月9日17時(shí)。從現(xiàn)場量測及計(jì)算得到右線右側(cè)壁導(dǎo)坑塌方體高度 H=7.6 m,寬度 D=5.4 m,長度 L=6.6 m;從現(xiàn)場量測及計(jì)算得到右線左側(cè)壁導(dǎo)坑塌方體高度H=7.7 m,寬度D=5.5 m,長度 L=8.7 m。

對隧道開挖過程中圍巖受力模式改變較大,由于土體的坍塌勢必會導(dǎo)致側(cè)壁導(dǎo)坑拱頂產(chǎn)生一定的空洞區(qū),類似橢球形,上下方向較大而橫向較小[2]。

3 監(jiān)控量測采取措施

3.1 測點(diǎn)埋設(shè)

由于在核心土開挖過程存在整體下沉的可能,為監(jiān)測隧道頂部地表下沉情況,在斷面YK5+156.5及斷面YK5+153對應(yīng)地表位置共布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

3.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集及分析

從2009年12月12日開始采集數(shù)據(jù),地表沉降觀測期間,通過對沉降曲線的分析,我項(xiàng)目部多次以電話和書面形式報(bào)告給業(yè)主、監(jiān)理和施工單位,并引起相關(guān)單位一定的重視。具體沉降變化曲線見圖1。

從變化曲線看出,地表沉降主要分為四個(gè)階段:1)勻速變化:主要發(fā)生的日期為2009年2月13日～2009年2月 26日,這段時(shí)間地表沉降的變化主要以較小的速率(約1.0mm/d)增加。隧道右線側(cè)壁導(dǎo)坑發(fā)生塌方后,不穩(wěn)定能量基本釋放完畢,隧道覆蓋層在無外力作用下處于勻速變化狀態(tài),上覆土層不穩(wěn)定。2)持續(xù)沉降:主要發(fā)生的日期為 2009年 2月 27日～2009年 3月 11日,這段時(shí)間隧道開始進(jìn)入開挖塌方位置側(cè)壁導(dǎo)坑仰拱部位及側(cè)壁導(dǎo)坑掌子面正常施工,同時(shí)此段時(shí)間出現(xiàn)較平凡的降雨。雨水通過上覆土層空隙進(jìn)入圍巖體內(nèi),使土體的抗剪強(qiáng)度明顯降低[3]。此階段地表便以約2.0mm/d速率沉降,累計(jì)變化量較大,危險(xiǎn)信號出現(xiàn)。3)加速沉降:主要發(fā)生在2009年3月12日～2009年3月29日,此段時(shí)間地表主要以近3.0mm/d速率沉降,沉降曲線無收斂趨勢,危險(xiǎn)信號非常明顯,隧道極易發(fā)生冒頂。土體受水體浸泡,抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低。4)破壞階段:發(fā)生在2009年3月 30日,由于上覆土體在外力(包括水)的作用下,土體強(qiáng)度降低,故上覆土體在最薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生相對位移,進(jìn)而塌陷冒頂發(fā)生。

上述綜合了地表沉降變化的相關(guān)信息,可以得到隧道上覆土體在發(fā)生塌陷冒頂前期,其給出的危險(xiǎn)信號是比較明顯的。

考慮到此次隧道塌陷為隧道內(nèi)部相同里程位置塌方后續(xù)發(fā)展,分析塌陷的主要原因如下:

1)從地質(zhì)鉆探孔看出塌方位置的圍巖較差,主要以全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化混合巖為主,圍巖抗剪強(qiáng)度較低,粘聚力較小,破碎極其嚴(yán)重。2)由于前期塌方在上覆土層已經(jīng)形成一個(gè)較大規(guī)模的空洞,施工過程在采取注漿等一系列措施時(shí),空洞周圍由于圍巖密實(shí),漿液很難跑到空洞之中,故此空洞是此次塌陷冒頂?shù)闹饕獌?nèi)因[4]。3)隧道在施工掘進(jìn)的過程中在一定的范圍內(nèi)對上部土層存在一定的擾動(dòng),外動(dòng)荷載的作用易引起土體發(fā)生緩慢的位移變化。同時(shí)隧道內(nèi)部的開挖使圍巖受力模式及上部荷載傳遞途徑發(fā)生一定的變化,上部土層不同的受力情況使隧道上覆土層需達(dá)到應(yīng)力平衡。4)從觀測的沉降曲線可以看出,水體對上覆土層的作用在地表沉降起到主導(dǎo)作用。雨水使土體的粘聚力減小,降低了土體的抗剪強(qiáng)度,在土體自身荷載作用下,空洞上部土體自重超出土體自身的抗剪力,故塌陷發(fā)生,水的作用是主要的外因。

上述主要分析了塌陷的主要原因,前期塌方出現(xiàn)的空洞為這次塌陷提供了必要條件,雨水的外力作用又給出了充分條件。

4 結(jié)語

通過本次冒頂事故的監(jiān)控量測分析,可見監(jiān)控量測可以有效的預(yù)測隧道淺埋段冒頂事故。通過對監(jiān)測量控?cái)?shù)據(jù)累計(jì)變化量結(jié)合變形速率判斷圍巖穩(wěn)定性可以有效避免多次不合理預(yù)警。同時(shí)在文章內(nèi)指出多雨地區(qū)在隧道施工過程中一定要注意雨水對隧道淺埋段圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 賀 威.旗山形隧道塌方原因分析及處理技術(shù)[J].公路工程,2008(6):98-100.

[3] 陳亞林.隧道塌方原因與處理[J].西部探礦工程,2006,18(10):182-185.

[4] 將爵光.隧道工程地質(zhì)[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[5] 李樹茂.茶林頂隧道工程地質(zhì)綜合勘察[J].山西建筑,2008,34(19):310-311.