淺埋隧道施工圍巖變形及襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)分析*

李曉東，陳曉斌，李志勇

（1.鐵道部安全質(zhì)量監(jiān)督總站廣州監(jiān)督站，廣東 廣州 510000；2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

淺埋隧道施工圍巖變形及襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)分析*

李曉東1，陳曉斌2，李志勇2

（1.鐵道部安全質(zhì)量監(jiān)督總站廣州監(jiān)督站，廣東 廣州 510000；2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

結(jié)合界牌坳隧道開挖施工特點(diǎn)，布設(shè)變形觀測(cè)元件及應(yīng)力觀測(cè)元件，對(duì)施工過程中圍巖變形及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

偏壓隧道；變形監(jiān)測(cè)；襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)；合理工序

1 引言

工程實(shí)踐表明，淺埋偏壓隧道施工及質(zhì)量控制技術(shù)是目前隧道建設(shè)面臨并亟待解決的主要技術(shù)難題。肖同剛[1]在建立圍巖隧道施工變形險(xiǎn)情預(yù)報(bào)模糊模型，采用集總變形量、變形速率和變形速率比值三位一體的圍巖穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則。趙子榮等[2]研究了復(fù)合式襯砌承受圍巖壓力的大小和分布規(guī)律，并探討了大斷面隧道通過軟弱圍巖的合理施工方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)。林培源等[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地層側(cè)向壓力和隧道襯砌內(nèi)力，對(duì)隧道襯砌開裂和位移進(jìn)行了分析。劉小兵[4]提出從洞周量測(cè)位移反算復(fù)合襯砌支護(hù)壓力的計(jì)算方法。趙廣炎等[5]對(duì)某平戰(zhàn)結(jié)合的地下工程進(jìn)行了土壓力和結(jié)構(gòu)物變形的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。趙占廠等[6]針對(duì)黃土隧道圍巖壓力問題，在對(duì)兩座黃土隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，分析了其圍巖壓力的大小和分布形式。靳曉光等[7]結(jié)合高地應(yīng)力區(qū)某地下工程實(shí)踐，提出了一套地下工程圍巖表面二次應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力恢復(fù)監(jiān)測(cè)方法。黃宏偉等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)施工量測(cè)，在分析了收斂位移、拱頂位移、圍巖內(nèi)部位移及鋼支撐內(nèi)力等大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了圍巖及初期支護(hù)的變形及隨時(shí)間變化的規(guī)律。王立忠等[9]結(jié)合桑州嶺隧道工程，對(duì)淺埋隧道的錨桿加固進(jìn)行理論分析，對(duì)隧道開挖過程中山體穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)控。

淺埋偏壓給隧道施工增大了不少難度，揭示淺埋偏壓隧道圍巖及結(jié)構(gòu)施工力學(xué)響應(yīng)，以采取合理工序是目前一大急需解決的技術(shù)問題[10]，[11]。文章以界牌坳隧道為依托工程，結(jié)合隧道開挖施工特點(diǎn)布設(shè)變形觀測(cè)點(diǎn)及應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)施工過程中的圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析，從圍巖及結(jié)構(gòu)變形分析研究淺埋隧道合理工序。

2 工程概況與測(cè)點(diǎn)布置

2.1 工程概況

界牌坳隧道全長(zhǎng)395 m，進(jìn)口位于沖溝頂端，為強(qiáng)風(fēng)化硅化砂質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，呈角礫狀，并夾有潮濕的呈蠕動(dòng)松散結(jié)構(gòu)的軟塑狀黏性土和呈潮濕松散結(jié)構(gòu)的粉細(xì)砂性土，裂隙發(fā)育、地下水非常豐富。出口位于山上斜坡上，為Ⅴ級(jí)圍巖淺埋地段，巖石層理、節(jié)理非常發(fā)育，整體性差，巖石層、節(jié)理之間全為濕潤(rùn)的黏土填充，且受到非常豐富的裂隙水的作用，地形起伏較大。進(jìn)出口洞門中線與地形線大角度相交，存在嚴(yán)重的偏壓。右洞最大埋深60 m，左洞最小埋深3 m，進(jìn)、出洞口范圍埋深4～25 m，屬淺埋地段。

隧道淺埋段支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，主要尺寸見圖1。淺埋偏壓段初期支護(hù)采用間距為75 cm的20 b拱架，網(wǎng)格間距20×20 cm的Φ8鋼筋網(wǎng)，28 cm厚C20噴射砼，錨桿采用長(zhǎng)為350 cm，環(huán)向間距為100 cm的Φ25中空注漿錨桿。其二次襯砌采用45 cm厚的C25鋼筋砼。

圖1 隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

界牌坳隧道工序?yàn)椋合乳_挖中導(dǎo)洞、施做中隔墻，然后分臺(tái)階開挖支護(hù)靠近山體內(nèi)側(cè)埋深較大的洞室，再分臺(tái)階開挖支護(hù)靠近山體外側(cè)埋深較小的洞室。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在界牌坳隧道施工過程中，進(jìn)行位移及變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。位移及變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包拱頂下沉量測(cè)和周邊收斂量測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測(cè)和二次襯砌內(nèi)力量測(cè)。各測(cè)點(diǎn)布置見圖2、圖4。

圖2 收斂與拱頂沉降測(cè)點(diǎn)布置

3 施工變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 內(nèi)側(cè)洞開挖變形

內(nèi)側(cè)洞開挖變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括拱頂沉降和水平收斂，在此僅選擇了變形最大的典型測(cè)試斷面進(jìn)行分析，見圖3、圖4。

圖3 內(nèi)側(cè)洞K58+562斷面拱頂沉降

圖4 內(nèi)側(cè)洞K58+562斷面周邊收斂

從圖3可見，拱頂沉降曲線具有明顯的兩個(gè)階段，內(nèi)側(cè)洞開挖過程中，測(cè)試斷面拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定，表明光是內(nèi)側(cè)洞開挖圍巖是比較穩(wěn)定的。在外測(cè)洞開挖卸載作用下，開挖完成的內(nèi)側(cè)洞圍巖變形經(jīng)歷一次突變后增大，最后慢慢穩(wěn)定。從拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線來看，界牌坳隧道內(nèi)側(cè)洞最大拱頂下沉量85 mm，多數(shù)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間約100 d左右。圖4顯示內(nèi)側(cè)洞開挖過程中，收斂位移最大的YK58+562測(cè)試斷面周邊收斂曲線也具有類似特點(diǎn)，明顯地反映了外側(cè)洞開挖對(duì)內(nèi)側(cè)洞的影響，水平收斂值在經(jīng)歷突變后均逐漸趨于穩(wěn)定，最大收斂值為28 mm。

3.2 外測(cè)洞開挖變形

外測(cè)洞開挖變形測(cè)試結(jié)果也選擇變形最大的典型斷面，見圖 5、圖 6。

圖5 外測(cè)洞K58+535斷面拱頂沉降

從圖5可見，外側(cè)洞開挖過程中，測(cè)試斷面拱頂沉降均逐漸趨于穩(wěn)定，表明外側(cè)洞開挖過程中圍巖穩(wěn)定。從拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線來看，界牌坳隧道外側(cè)洞最大拱頂下沉量約46 mm，多數(shù)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間約30 d。圖6顯示外側(cè)洞開挖過程中，位移最大的K58+535段測(cè)試斷面周邊收斂均逐漸趨于穩(wěn)定，最大收斂值為14 mm。

圖6 外測(cè)洞K58+535斷面周邊收斂

3.3 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果討論

內(nèi)、外側(cè)主洞開挖變形結(jié)果說明，內(nèi)側(cè)洞變形在它自身開挖過程中是逐步穩(wěn)定的，但是隨著外側(cè)洞開挖，內(nèi)側(cè)洞變形具有突變點(diǎn)，變形曲線具有兩個(gè)階段。內(nèi)側(cè)洞最大拱頂沉降值為85 mm，穩(wěn)定時(shí)間為100 d左右，外測(cè)洞拱頂最大沉降值為46 mm，穩(wěn)定時(shí)間為30 d左右。說明了外側(cè)洞開挖擾動(dòng)對(duì)施工完成的內(nèi)側(cè)洞影響明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于淺埋偏壓隧道相對(duì)于一般連拱隧道，其施工過程中偏壓影響。

變形測(cè)試結(jié)果說明，應(yīng)該選取合理施工工序，以便獲得較為有利的圍巖應(yīng)力分布形式，降低施工中偏壓的影響。比較內(nèi)、外側(cè)隧洞開挖變形的差異，從安全考慮應(yīng)該采用先山體外側(cè)洞室開挖并施工襯砌，然后內(nèi)側(cè)洞室開挖施工。

4 襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 初襯與二襯間壓力監(jiān)測(cè)

在K58+656斷面沿隧道周邊拱頂、拱腰和邊墻埋設(shè)16個(gè)JMZX-2050A型智能弦式數(shù)碼壓力盒，量測(cè)結(jié)果見圖7、圖8和圖9。

圖7、圖8內(nèi)側(cè)洞及外側(cè)洞都表現(xiàn)出如下規(guī)律：初期支護(hù)與二次襯砌之間壓力在二次襯砌施作后逐步增大，然后逐步減小并趨于穩(wěn)定。繪制在隧道原型上面的壓力線，可以直觀反映出隧道襯砌不同位置的壓力分布，見圖9。

圖7 K58+656外側(cè)洞斷面壓力

圖8 K58+656內(nèi)側(cè)洞斷面壓力

圖9 K58+656斷面初期支護(hù)與二襯間壓力

圖9顯示隧道拱頂部壓力較小，而拱腰及中隔墻部位壓力較大，對(duì)于連拱隧道，中隔墻頂部位的二襯壓力較大，施工二襯時(shí)必須保證該部位的厚度。圖9還表明隧道內(nèi)側(cè)洞襯砌間壓力普遍大于外側(cè)洞襯砌間壓力，并且隨著外側(cè)洞的施工具有明顯加大的趨勢(shì)，說明了內(nèi)側(cè)洞受力比外側(cè)洞襯砌復(fù)雜，內(nèi)側(cè)襯砌更容易破損。襯砌壓力測(cè)試結(jié)果說明，更加合理的工序應(yīng)該是先施工外側(cè)洞，然后再施工內(nèi)側(cè)洞。

4.2 二襯內(nèi)力監(jiān)測(cè)

為了解二次襯砌內(nèi)力大小及分布規(guī)律，在K58+656斷面沿隧道周邊拱頂、拱腰和邊墻埋設(shè)32個(gè)JMZX-215型埋入式智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)，量測(cè)二次襯砌內(nèi)外側(cè)應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)綁扎在二襯內(nèi)外層主筋上，各應(yīng)變計(jì)量測(cè)結(jié)果見圖10～圖13。

從二次襯砌應(yīng)變時(shí)態(tài)曲線圖可看出，在二次襯砌剛澆注初期，混凝土應(yīng)變隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，經(jīng)過8～15 d以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，初期混凝土呈拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)。

圖10 外側(cè)洞 K58+656斷面二襯砼(內(nèi)側(cè))應(yīng)變

圖11 外側(cè)洞 K58+656斷面二襯砼(外側(cè))應(yīng)變

圖12 內(nèi)側(cè)洞 K58+656斷面二襯砼(內(nèi)側(cè))應(yīng)變

圖13 內(nèi)側(cè)洞 K58+656斷面二襯砼(外側(cè))應(yīng)變

在此，將混凝土終凝后的穩(wěn)定值作為初值，根據(jù)二次襯砌內(nèi)外側(cè)應(yīng)變可算出二襯主筋位置應(yīng)力，然后根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及材料力學(xué)有關(guān)公式，可計(jì)算二次襯砌軸力和彎矩（計(jì)算方法見圖14）。依據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖15、16沿?cái)嗝娣植嫉妮S力圖和彎矩圖，從軸力圖和彎矩圖可看出二次襯砌軸力主要為壓應(yīng)力，并且拱腰位置軸力大于其他部位。

圖14 二次襯砌內(nèi)力計(jì)算圖

圖15 K58+656斷面二次襯砌軸力圖

圖16 K58+656斷面二次襯砌彎矩圖

內(nèi)力檢測(cè)結(jié)果說明，淺埋偏壓隧道相對(duì)于一般連拱隧道，其施工過程中偏壓更嚴(yán)重，應(yīng)該選取合理的施工工序，獲得較為有利的圍巖應(yīng)力分布形式，降低施工中偏壓的影響。襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明更加合理的工序應(yīng)該是先施工外側(cè)洞，然后再施工內(nèi)側(cè)洞。

5 結(jié)論

（1）內(nèi)側(cè)洞最大拱頂沉降值為85 mm，穩(wěn)定時(shí)間為100 d左右，外測(cè)洞最大沉降值為46 mm，穩(wěn)定時(shí)間為30 d左右。說明了外側(cè)洞開挖擾動(dòng)對(duì)施工完成的內(nèi)側(cè)洞影響明顯。變形測(cè)試結(jié)果說明，采用先山體外側(cè)洞室后內(nèi)側(cè)洞室工序更加合理。

（2）內(nèi)側(cè)洞及外側(cè)洞都表現(xiàn)出如下規(guī)律：初期支護(hù)與二次襯砌之間壓力在二次襯砌施作后逐步增大，然后局部減小并趨于穩(wěn)定。隧道內(nèi)側(cè)洞襯砌間壓力普遍大于外側(cè)洞襯砌間壓力，并且隨著外側(cè)洞的施工具有明顯加大的趨勢(shì)，襯砌壓力測(cè)試結(jié)果說明，更加合理的工序應(yīng)該是先施工外側(cè)洞，然后再施工內(nèi)側(cè)洞。

（3）在二次襯砌剛澆注初期，混凝土應(yīng)變隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，經(jīng)過8～15 d以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，混凝土呈拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，拱腰位置軸力大于其他部位。襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，更加合理的工序應(yīng)該是先施工外側(cè)洞，然后再施工內(nèi)側(cè)洞。

[1] 肖同剛.隧道施工變形險(xiǎn)情預(yù)報(bào)模型應(yīng)用研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，Vol5（3）：473-477.

[2] 趙子榮，王夢(mèng)恕.大瑤山隧道設(shè)計(jì)與施工[J].土木工程學(xué)報(bào)，1985，Vol22（3）：1-12.

[3] 林培源.隧道側(cè)向壓力問題的探討[J].土木工程學(xué)報(bào)，1982，Vo115，（1）：36-41.

[4] 劉小兵.復(fù)合襯砌支護(hù)壓力的簡(jiǎn)捷推算法[J].地下空間，1996，Vol16（4）：193-198.

[5] 趙廣炎，張福臻，楊潤(rùn)田等.某峒室土壓力測(cè)試與分析.東北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，Vol13（Supp）：103-107.

[6] 趙占廠，謝永利.黃土公路隧道襯砌參數(shù)影響性狀分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003.Vol40（2）：1291-1295.

[7] 靳曉光，王蘭生，李曉紅.地下工程圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與監(jiān)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，Vol21（5）：651～653.

[8] 黃宏偉，徐凌.大風(fēng)埡口巖石公路隧道圍巖及初期支護(hù)變形與內(nèi)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，Vol23（1）：44～52.

[9] 王立忠，胡亞元.崩塌松散圍巖隧道施工穩(wěn)定分析與監(jiān)控[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，Vol22（4）：589～595.

[10] J.H.Atkinson，D.M.Potts，Stability of shallow tunnel in cohesionless soil（J），Geotechnique，1977，27（2）：203～215.

[11] E.H.Davis，M.J.Gunn and R.J.Mair etc.，The stability of shallow tunnel and underground openings in cohesive material（J），Geotechnique，1980，30（4）：397～416（in Chinese）.

Rock M ass Deformation and Lining Inner Force Surveying Analysis of Shallow Tunnel Construction in Road Engineering

Li Xiaodong，Chen Xiaobin，Li Zhiyong

According to the Jie Pai Au tunnel’s construction，the arc settlement，convergence and he lining inner force surveying points were built in the tunnel structure to monitor the rock mass deformation and linings’inner force,and the surveying data were analyzed.The rock deformation surveying results showed that the outside tunnel’excavation disturbingon the inner built tunnel was obvious.The lining pressure force of inside tunnel’s were always larger than the outside tunnel’s，and the lining pressure force of inside tunnel became larger with the outside tunnel’s excavation procedure.The lining’s axial force were pressure force and the axial force at hance were larger than other position’s.The surveying analysis suggest that the reasonable construction for the shallow tunnel should be：the outside tunnel’s excavation and lining should be first，and then the insider tunnel’s.

Shallow tunnel；deformation surveying；lining inner force surveying；reasonable construction order

TU 443.3；TU 43

A

1000-8136(2011)08-0039-04

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20080440996）