淺埋偏壓且圍巖破碎隧道的施工監(jiān)控量測

顧 綱

（中交四航第二工程有限公司，廣州 510000）

1 工程概況

1.1 概況

本隧道位于白臘寨－廣南區(qū)間，雙線隧道，左右線線間距為4.6m，設(shè)計(jì)為15.5‰的單面上坡，全隧除DK416＋109－DK417＋587.013段位于半徑R＝9000m的右偏曲線上，其余段均為直線.進(jìn)口里程為DK416＋109，出口里程為DK418＋773，全長2664m.圍巖分布情況：明洞段96m，II級圍巖285 m，III級圍巖395m，IV級圍巖695m，V級圍巖1150m.

1.2 水文地質(zhì)條件

本區(qū)間屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕低中山地貌，基巖多為裸露.覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡殘積洪黏土、角礫土，下伏基巖為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r.二疊系下統(tǒng)（T1I）泥巖、頁巖、砂巖，砂巖為深灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，?。袑訝睿噔}質(zhì)膠結(jié)；頁巖為灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理發(fā)育；泥巖為褐黃色、棕紅色，泥質(zhì)，粉砂，塊狀構(gòu)造.地表巖溶發(fā)育中等－強(qiáng)烈，巖溶形態(tài)為巖溶洼地、溶溝、溶槽、垂直巖溶管隙等.含巖溶水、裂隙水，地下水發(fā)育.圍巖自穩(wěn)性差，隧道正常涌水量為5×104m3／d，雨季最大涌水量為10.2×104m3／d，地下水對砼無侵蝕性，地震動峰值加速度為0.05g［1］.

1.3 施工方法

進(jìn)口處于暗挖淺埋段，采用單壓明洞式洞門，DK416＋109－DK416＋187段采用V級偏壓明洞；Ⅴ級圍巖采用管棚注漿或小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)留核心土環(huán)狀開挖法施工，人工開挖或弱爆破開挖；Ⅳ級圍巖采用臺階法施工.

2 監(jiān)控量測內(nèi)容及量測斷面布置

2.1 量測內(nèi)容及量測頻率

隧道監(jiān)控量測工作內(nèi)容，可分為直接指導(dǎo)工程施工的必測項(xiàng)目和進(jìn)行科學(xué)研究的選測項(xiàng)目兩部分內(nèi)容，其兩者相輔相成.必測項(xiàng)目中的量測數(shù)據(jù)，有的可以直接為隧道施工服務(wù)，如地表沉降量測，有的是通過利用類比的方法判別承載結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，如拱頂下沉、周邊位移.選測項(xiàng)目是著重對承載結(jié)構(gòu)內(nèi)部各種作用機(jī)理可以量化的部分得出相關(guān)數(shù)據(jù)，為以后理論研究提供原始數(shù)據(jù)，同時為評價承載結(jié)構(gòu)受力狀況提供參考.根據(jù)高坡隧道進(jìn)口地段的地質(zhì)、水文特性以及施工要求，量測內(nèi)容的重點(diǎn)主要為目測、拱頂下沉、周邊位移；另外，由于隧道洞口圍巖均為V級淺埋且山體偏壓，又加上圍巖松散破碎且強(qiáng)度底，自穩(wěn)能力差，巖性變化大，如施工工藝不當(dāng)易造成圍巖失穩(wěn)而坍塌，因此在隧道洞口進(jìn)行了地表沉降的量測.具體的量測內(nèi)容及頻率見表1.

表1 高坡隧道（進(jìn)口段）主要監(jiān)控量測項(xiàng)目及量測頻率

2.2 測點(diǎn)布設(shè)

代表性斷面以及測點(diǎn)的布設(shè)的選取，是監(jiān)控量測的首要工作.根據(jù)《TB10121－2007鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》要求［1］，在施工過程中，按照規(guī)程布置測點(diǎn).高坡隧道進(jìn)口段設(shè)計(jì)中將拱頂下沉和圍巖凈空收斂量測的斷面間距初步定為V級均為5m；根據(jù)隧道圍巖偏壓、淺埋的實(shí)際情況，且圍巖呈強(qiáng)風(fēng)化松散破碎狀，故其布點(diǎn)均嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行.現(xiàn)場圖示及各測點(diǎn)的布置如圖1、圖2、圖3所示.

3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

為了能對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的性態(tài)作較全面的分析，并且能獲得完整的數(shù)據(jù)，同時又使各項(xiàng)數(shù)據(jù)間能相互比較、相互驗(yàn)證，因此各項(xiàng)量測內(nèi)容應(yīng)盡量布置在同一個斷面上.各量測斷面的測點(diǎn)應(yīng)在靠近開挖面及時安裝，范圍控制在2m以內(nèi)，并在工作面開挖后12h內(nèi)和下一次開挖之前測取初始讀數(shù).在實(shí)際的安裝埋設(shè)中，有時因?yàn)槭┕じ蓴_或避免測點(diǎn)遭到破壞，測點(diǎn)安裝位置會離開挖面遠(yuǎn)些，但在利用此數(shù)據(jù)分析判別時，應(yīng)考慮圍巖初期的變形釋放.量測頻率也可以根據(jù)施工具體情況調(diào)整，由產(chǎn)生的最大位移速率來確定.

3.1.1 目測

目測是新奧法施工中必測項(xiàng)目之一，對于監(jiān)視圍巖穩(wěn)定性是既省事又作用很大，它可以獲得很直觀的圍巖相關(guān)信息，具有重要的指導(dǎo)作用，其實(shí)際意義在于及時發(fā)現(xiàn)異常，做好下一步的分析及預(yù)測準(zhǔn)備工作.其主要觀察內(nèi)容為：調(diào)查了解開挖面的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、目視初期支護(hù)狀態(tài)及地表變化狀況，做好記錄或繪出草圖.

3.1.2 拱頂下沉觀測及周邊收斂量測

通常情況下，淺埋偏壓隧道的拱頂下沉是判斷圍巖是否穩(wěn)定的重要標(biāo)志.拱頂下沉?xí)蛏蟼髦恋乇?，地表點(diǎn)的下沉值一般比拱頂點(diǎn)的下沉值要小，而圍巖又破碎時，地表下沉值接近于拱頂下沉值而形成整體下沉.通過測定拱頂點(diǎn)的變化情況，即可判斷隧道的穩(wěn)定性.采用全站儀讀取每天的相對沉降數(shù)值，具體操作如下：在洞內(nèi)布設(shè)好測點(diǎn)，在三角鐵片上固定好反光片.于穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置一后視基點(diǎn)，用以架設(shè)棱鏡，固定棱鏡高度為1.4m.選定合適位置做為儀器擺放位置，量取棱鏡中心點(diǎn)到反光片中點(diǎn)的相對高程差，連續(xù)測取三次讀數(shù)，取平均值即為前后兩次的沉降值.這樣可避免因讀取絕對高程值帶來的數(shù)值誤差，又利用全站儀可自動修正角度值的特點(diǎn)，從而形成兩點(diǎn)共線的射線原理.而周邊收斂的量測，則直接利用全站儀的折射特點(diǎn)，進(jìn)行折線量測，既簡單方便又讀值精準(zhǔn)可靠.而后，也還可以利用數(shù)顯式收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證.經(jīng)過一段時期的觀測后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

3.1.3 地表沉降觀測

由于該處是偏壓隧道洞口淺埋段，埋深僅25m，且圍巖松散、層狀節(jié)理全發(fā)育，自穩(wěn)性極差，故地表觀測極其重要.為了保證測量能迅速、準(zhǔn)確讀值且測量誤差降至最低，地表沉降觀測點(diǎn)采用免棱鏡貼反光片，運(yùn)用全站儀射線程序測值.

3.2 數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

施工過程中應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析和階段分析.實(shí)時分析主要對當(dāng)日量測之異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對施工提出建議和采取措施，對日常量測數(shù)據(jù)做出安全與穩(wěn)定判別；階段分析則是集較長一段時期以來的觀測數(shù)值，用以進(jìn)行回歸分析，從而指導(dǎo)施工工序的進(jìn)行和設(shè)計(jì)參數(shù)的合理調(diào)整［2－7］.本文主要對階段分析進(jìn)行論述.

隧道開工后，組織監(jiān)控量測小組開展觀測工作.由于監(jiān)測時期較長，數(shù)據(jù)繁多，現(xiàn)只選取具有代表性強(qiáng)的DK416＋235斷面開挖后近一月來的觀測數(shù)值進(jìn)行分析，該斷面觀測的周邊收斂和拱頂沉降累計(jì)值如表2所示.

表2 高坡隧道進(jìn)口（DK416＋235）斷面拱頂沉降及周邊收斂觀測累計(jì)值U－T表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)得到的周邊收斂與拱頂沉降曲線如圖4所示.測取數(shù)據(jù)顯示，在隧道開挖后，測值變化較大，應(yīng)力釋放突顯.而開挖4～5天后便漸趨穩(wěn)定狀態(tài)，且持續(xù)有一周左右時間，故此段時期為最佳支護(hù)期.施工應(yīng)在此時段內(nèi)組織人手盡快完成隧道的環(huán)向閉合，以使圍巖應(yīng)力釋放與結(jié)構(gòu)支撐達(dá)到平衡狀態(tài)，支護(hù)包括初襯與仰拱的封閉、二次襯砌布筋與底板鋼筋網(wǎng)的閉合、施作二次襯砌.但實(shí)際施工過程中由于各流水節(jié)拍搭接不當(dāng)錯失了最佳支護(hù)時間.從圖可知，圍巖在穩(wěn)定近一周時間后便產(chǎn)生二次應(yīng)力釋放，受山體淺埋偏壓作用，原短暫的平衡結(jié)構(gòu)被破壞，而支護(hù)又未及時妥善處理，節(jié)理破碎圍巖為尋找平衡支撐點(diǎn)，其變形量及變化速率不斷增大.經(jīng)歷十天后，原初支的鋼拱架發(fā)生扭曲變形，隧道頂部坍塌，山頂開裂凹陷，如圖5、圖6所示.

3.3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用

通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析可知，該隧道開挖后5天至15天時間段內(nèi)是最佳永久支護(hù)施工期.以DK416＋235斷面拱頂沉降觀測數(shù)據(jù)為例，選取9月24日至10月9日數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，采用指數(shù)函數(shù)擬合該斷面上的實(shí)測曲線，所擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.9879，標(biāo)準(zhǔn)偏差相對較小，擬合回歸［7］得到的方程為U＝13.0667×e（－4.6926／t），實(shí)測和擬合曲線如圖7所示.由該回歸函數(shù)計(jì)算可得知，如果在最佳支護(hù)期完成永久支護(hù)，該斷面最終累計(jì)沉降值將達(dá)到9.75mm，在安全范圍［6］之內(nèi).

圖7 回歸分析曲線圖

4 結(jié) 論

隧道作為地下隱蔽工程，具有太多的不確定因素，因此，其復(fù)雜和特殊性是不言而喻的.隧道巖體在開挖以前一般來說是相對穩(wěn)定的，但在開挖以后，由于原有平衡被打破，巖體性狀發(fā)生變化，巖體將出現(xiàn)明顯的內(nèi)擠位移，這是修筑隧道經(jīng)常會遇到的問題.

對隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測是保證隧道工程質(zhì)量、安全的必不可少的手段.通過量測，可及時對隧道圍巖的失穩(wěn)趨勢提供預(yù)警，為施工、調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及合理確定二次襯砌時間提供了可靠的科學(xué)依據(jù).只要監(jiān)控措施得當(dāng)，及時的指導(dǎo)施工和修改設(shè)計(jì)，便能保證隧道施工的安全、經(jīng)濟(jì)、收到良好的效果.

［1］鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.TB10121－2007.

［2］劉 強(qiáng)，代玉民，閆 松，韋 娜，于治家.隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測的控制［J］.測繪與空間地理信息，2012，35（9）：225－228.

［3］賈桂玲.暗挖隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2012，41（增刊）：269－273.

［4］王新征，張 建.淺埋暗挖隧道施工沉降監(jiān)控量測［J］.人民長江，2012，43（15）：20－23.

［5］謝云揚(yáng).隧道施工過程中極破碎圍巖整治初步探究［J］.科技資訊，2012（8）：54.

［6］李文飛.監(jiān)控量測在隧道施工中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)業(yè)2012：179－181.

［7］張建軍，黃詒寶，沈增輝，松散破碎圍巖淺埋隧道施工及監(jiān)測分析［J］.山西建筑，2012，38（9）：169－170.