高原凍土鄂拉山隧道施工變形監(jiān)測分析

李 鵬

(中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710065)

高原凍土鄂拉山隧道施工變形監(jiān)測分析

李 鵬

(中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710065)

隧道施工監(jiān)控量測可以提供拱頂沉降、水平收斂等數(shù)據(jù)，供建立變形監(jiān)測模型，根據(jù)模型可預(yù)測監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的走勢，進(jìn)而指導(dǎo)隧道施工。本文首先對(duì)變形監(jiān)測的原理和方法進(jìn)行介紹，然后結(jié)合鄂拉山隧道施工過程中的變形監(jiān)控模型預(yù)測結(jié)果，綜合分析凍土隧道變形規(guī)律，并依據(jù)出口淺埋偏壓段的觀測結(jié)果調(diào)整了施工方案。后續(xù)監(jiān)測顯示，洞內(nèi)變形得到了有效控制，拱頂沉降和水平收斂處于趨穩(wěn)狀態(tài)。

凍土隧道 淺埋 偏壓 變形監(jiān)測 模型預(yù)測

1 工程概況

鄂拉山隧道隧址區(qū)屬冰緣及構(gòu)造侵蝕中高山，地形中間高南北低，東西兩側(cè)為南北走向高山，海拔最高4 780 m。隧道穿越鄂拉山段，海拔介于4 299.3～4 488.65 m，高差189.35 m。多年凍土分布于鄂拉山南北坡進(jìn)出口及山頂處。隧道進(jìn)出口地層巖性為第四系中更新統(tǒng)冰水堆積物，表層為粉質(zhì)黏土，厚約1.2～1.5 m，下部為含亞黏土的碎石土。進(jìn)出口穿越冰水堆積物多年凍土區(qū)，多年凍土區(qū)上限1.2～1.6 m，下限35～56 m。含亞黏土的碎石土以多冰、富冰、飽冰凍土為主，其穩(wěn)定性極差。隧道洞身段穿越的的地層為三疊系弱風(fēng)化的凝灰?guī)r夾少量安山巖。巖體受地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化作用較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間小斷層及擠壓破碎帶較發(fā)育，巖體完整性較差，巖體呈塊狀及碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，基巖裂隙水發(fā)育。隧道進(jìn)出口段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性很差。多年凍土及凍巖對(duì)隧道進(jìn)洞段開挖影響較大，凍土凍結(jié)時(shí)，巖土體強(qiáng)度較高，但開挖融化后，含亞黏土的碎石土呈軟塑狀，強(qiáng)度極低，成洞極為困難。巖石凍結(jié)時(shí)強(qiáng)度高，開挖后凍巖融化，裂隙張開，強(qiáng)度降低，易風(fēng)化呈碎塊狀。受反復(fù)凍融作用，洞身極易變形。鄂拉山隧道出口段K305+635—K303+500，全長 2 135 m，其中 K305+630—K305+405段為長225 m的Ⅴ級(jí)圍巖永久淺埋凍土段，最小埋深為5.8 m，且偏壓嚴(yán)重，地質(zhì)條件及其復(fù)雜。隧道主要結(jié)構(gòu)為超前小導(dǎo)管、鋼拱架噴錨支護(hù)、C20鋼筋混凝土一次模筑支護(hù)、復(fù)合防水保溫層、二次鋼筋混凝土襯砌。

凍土隧道施工中對(duì)溫度極為敏感，施工中采用了夜間施工、通風(fēng)、控制機(jī)械作業(yè)時(shí)間等綜合措施，將施工溫度限制在5℃～10℃之間。盡管如此，依然出現(xiàn)隧道沉降、收斂大的情形。對(duì)于凍土隧道，此前可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，而且即便同為凍土，由于所處地域氣候環(huán)境和地質(zhì)條件各不相同，施工中出現(xiàn)的情況也千差萬別，加之鄂拉山隧道出口除凍土外，還存在淺埋和偏壓等多種因素。因此，針對(duì)這一實(shí)際情況，加強(qiáng)了隧道的監(jiān)控量測與分析，以期為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

2 隧道監(jiān)控量測

2.1 量測項(xiàng)目及方法

根據(jù)測量規(guī)范要求，隧道監(jiān)控量測的必測項(xiàng)目有洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉。在洞內(nèi)外觀察時(shí)主要采用現(xiàn)場觀察，數(shù)碼相機(jī)留取影像資料。周邊位移、拱頂下沉、地表下沉全部采用全站儀測量。

2.2 量測原理

2.2.1 傳統(tǒng)量測(相對(duì)位移觀測法)

采用全站儀進(jìn)行凈空水平收斂和拱頂沉降測量，是通過精確測定監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)再通過計(jì)算間接求出水平收斂和與監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)高差。雖然克服了收斂計(jì)、鋼掛尺等對(duì)測量平臺(tái)的依賴，減少了對(duì)施工的干擾，但只能得出沉降和收斂的相對(duì)位移，不能反映監(jiān)測點(diǎn)的整體系統(tǒng)變形。

2.2.2 絕對(duì)三維坐標(biāo)量測

相對(duì)位移觀測法中如果把全站儀架于已知點(diǎn)上或者與已知基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，即可完成絕對(duì)三維位移監(jiān)測，使得收斂變形表現(xiàn)為三維坐標(biāo)量的絕對(duì)變化，可以客觀而全面地反映出測點(diǎn)的變形情況。其優(yōu)點(diǎn)是：在具有相對(duì)位移觀測法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可完成三維絕對(duì)坐標(biāo)測量，能反映監(jiān)測點(diǎn)的整體絕對(duì)變形信息。本項(xiàng)目使用絕對(duì)三維坐標(biāo)量測，以更好地滿足隧道施工需要。

2.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)在處理時(shí)，可以提供變形數(shù)據(jù)，供建立變形監(jiān)測模型，同時(shí)根據(jù)模型可預(yù)判和預(yù)測監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的走勢，兩者相輔相成，互為補(bǔ)充，共同為施工監(jiān)控量測服務(wù)。

2.3.1 模型關(guān)系的建立

經(jīng)觀測，出口淺埋偏壓段施工中洞內(nèi)環(huán)境溫度控制在5℃ ～10℃時(shí)，隨時(shí)間T的增大，拱頂沉降量S和收斂值U隨之增大，并未出現(xiàn)拱頂沉降和收斂趨勢減小和趨穩(wěn)的現(xiàn)象，與新奧法的原理并不相符，相反在完成一次模筑的施作后，才趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變形。將S－T，U－T的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)繪于平面坐標(biāo)系中，點(diǎn)呈線性分布，符合最小二乘法的適用范圍。據(jù)此可建立變形監(jiān)測模型，即拱頂沉降量S與時(shí)間T，收斂值U與時(shí)間T的模型。

2.3.2 最小二乘法求解原理

在研究兩個(gè)變量(x，y)之間的相互關(guān)系時(shí)，通?？梢缘玫揭幌盗谐蓪?duì)的數(shù)據(jù)(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xm，ym)，將這些數(shù)據(jù)描繪在X－Y直角坐標(biāo)系中，若發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)在一條直線附近，可以令這條直線方程為

其中：a0，a1是任意實(shí)數(shù)。

為建立這條直線方程就要確定a0和a1，應(yīng)用最小二乘法原理，將實(shí)測值yi與利用式(1)計(jì)算出的值(yj=a0+a1xi)的離差(yi－yj)的平方和Σ (yi－yj)2取最小值作為優(yōu)化判據(jù)。

得到一個(gè)以a0，a1為未知數(shù)的方程組，解這個(gè)方程組得出

將a0，a1代入式(1)中，此時(shí)的式(1)就是所求方程。

2.3.3 施工中建立的部分模型

1)洞口拱頂累計(jì)沉降量與時(shí)間的模型S－T

建立以拱頂累計(jì)沉降量S與時(shí)間T的關(guān)系模型S－T，即S=a0+a1T。以里程K305+630(據(jù)明暗交界處)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)(表1)為例，求得 a0=2.27，a1=15.07，函數(shù)為S=15.07T+2.27，圖形見圖1。

表1 里程K305+630監(jiān)測斷面拱頂累計(jì)沉降觀測數(shù)據(jù)(預(yù)留沉降量300 mm)

圖1 K305+630斷面拱頂累計(jì)沉降量曲線

2)洞內(nèi)累計(jì)收斂值與時(shí)間的模型U－T

建立以累計(jì)收斂值U與時(shí)間T的關(guān)系模型U－T，即U=a0+a1T。以里程K305+575監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)(表2)為例，求得 a0= －3.96，a1=35.87，函數(shù)為 U=35.87T －3.96，圖形見圖2。

表2 里程K305+575監(jiān)測斷面累計(jì)收斂觀測數(shù)據(jù)(預(yù)留變形量350 mm)

圖2 K305+575斷面累計(jì)收斂值曲線

3 施工方案調(diào)整和實(shí)施效果

在施工中，針對(duì)洞口拱頂沉降量大和洞內(nèi)收斂變形大分別采取了一系列控制和處理措施。

3.1 洞口拱頂沉降控制

觀測結(jié)果：①拱頂沉降量大，K305+630斷面在開挖后，一直沒有明顯減小趨勢，14 d時(shí)累計(jì)沉降量達(dá)212 mm。根據(jù)沉降模型進(jìn)行預(yù)測，將在第20 d發(fā)生侵限，此時(shí)沉降量S=15.07×20+2.27=303.7 mm，超出300 mm的預(yù)留沉降量。②根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)，相對(duì)收斂較小，但點(diǎn)位發(fā)生向下位移。這與剛進(jìn)洞初支長度短，受到的約束較少有關(guān);同時(shí)拱頂伴有向前的水平位移，14 d時(shí)累計(jì)位移達(dá)74 mm。說明山體已經(jīng)發(fā)生移動(dòng)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。③據(jù)地表觀測，靠近洞口的山體平均位移在35 mm左右。④洞頂山體仰坡坡面有寬20～30 mm的裂縫出現(xiàn)。

施工方案調(diào)整：①增加I22a型鋼拱架作為背拱支撐，間距50 cm，背拱鋼拱架與初支間用木楔填塞，密貼為整體共同受力;②增加臨時(shí)水平支撐和豎支撐，以增加支撐強(qiáng)度;③施作臨時(shí)仰拱，在水平支撐加固后，再噴射混凝土形成臨時(shí)仰拱，增加整體抵御變形的剛度，形成較大的承壓面積;④環(huán)向打設(shè)長3.5 m，間距1 m的φ42×4注漿小導(dǎo)管，注入水泥—水玻璃雙液漿，以固化周邊巖體;⑤在一次模筑施工時(shí)，直接將背拱鋼拱架澆筑在內(nèi)，避免了因拆除引發(fā)的進(jìn)一步變形，同時(shí)以鋼拱架取代一次模筑的鋼筋，整體穩(wěn)定性更好;⑥對(duì)明洞進(jìn)行加長，由原設(shè)計(jì)的5 m增加為25 m，同時(shí)對(duì)明洞基底承載力不足處采用C15片石混凝土進(jìn)行換填處理，將端墻式洞門改為削竹式洞門，在明洞施作完成后對(duì)洞口段反壓回填。

實(shí)施效果：實(shí)施了上述一系列措施后，洞口拱頂沉降得到有效控制，洞口山體趨于穩(wěn)定。

3.2 洞內(nèi)收斂變形控制

觀測結(jié)果：①洞內(nèi)收斂變形量大。K305+575斷面在開挖后，一直沒有明顯收斂跡象，在第10 d已發(fā)生侵限，收斂值達(dá)358 mm，超出350 mm的預(yù)留變形量，同時(shí)圍巖出現(xiàn)縱向裂紋和掉塊現(xiàn)象;在第14 d時(shí)，收斂值已達(dá)496 mm，掉塊和開裂十分嚴(yán)重，同時(shí)初支鋼拱架已發(fā)生一定變形，形成較大安全隱患。根據(jù)收斂模型進(jìn)行預(yù)測，在第20 d時(shí)收斂值 U=35.87×20－3.96=713.4 mm，屆時(shí)鋼拱架將發(fā)生嚴(yán)重變形，初支可能失穩(wěn)。②根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)，靠近山體左側(cè)絕對(duì)收斂值大，靠近沖溝的臨空面絕對(duì)收斂值小很多，說明偏壓對(duì)隧道影響嚴(yán)重。③根據(jù)地表觀測，部分點(diǎn)位在14 d內(nèi)發(fā)生120～150 mm的位移，且位移方向垂直于隧道，說明山體已發(fā)生移動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。④洞頂山體坡面出現(xiàn)多處沿隧道方向的裂縫，第14 d時(shí)裂縫寬度最大達(dá)220 mm，山體存在滑塌跡象。

施工方案調(diào)整：①暫停洞內(nèi)施工，采用枕木、方木搭設(shè)馬蘭垛，同時(shí)配合工字鋼構(gòu)建支撐體系，減小和控制洞內(nèi)變形的進(jìn)一步發(fā)生;②召開專家論證會(huì)，對(duì)可能存在的山體滑塌隱患進(jìn)行原因分析并制訂對(duì)策;③對(duì)淺埋段進(jìn)行地表注漿;④對(duì)偏壓段左側(cè)山體采取5級(jí)坡面卸載，卸載后的土方填筑在沖溝淺埋段，不僅徹底去除了滑坡的危險(xiǎn)因素，而且填筑的土體形成了反壓，利于山體的穩(wěn)定;⑤后續(xù)施工中，將淺埋永久凍土段原設(shè)計(jì)的Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)調(diào)整為Ⅴ級(jí)加強(qiáng)(參考Ⅵ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù))。

實(shí)施效果：實(shí)施了以上措施后，淺埋、偏壓帶來的不利影響已明顯改善，且由于注漿加固的原因，洞內(nèi)收斂得到有效控制，后續(xù)施工得以開展。

4 結(jié)語

在鄂拉山凍土隧道施工中，依據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測結(jié)果，綜合分析了圍巖動(dòng)態(tài)，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，便于管理層作出施工決策、優(yōu)化和調(diào)整施工方案。

本隧道施工中對(duì)監(jiān)控量測工作的重視，真正發(fā)揮了其對(duì)施工的指導(dǎo)作用，不僅使隧道施工順利通過凍土段，而且預(yù)防了潛在的質(zhì)量安全事故和后期運(yùn)營存在的隱患，所得經(jīng)驗(yàn)可為類似施工借鑒。

［1］劉向陽．淺埋公路隧道洞口段施工技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(11)：72-73．

［2］劉紹堂．隧道施工期間的變形監(jiān)測技術(shù)［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(增 2)：70-72，83．

［3］同濟(jì)大學(xué)．高等數(shù)學(xué)［M］．6版．北京：高等教育出版社，2007．

［4］夏述光，葛勇，李濤，等．竹山隧道大變形特征及機(jī)理研究［J］．鐵道建筑，2013(6)：56-58．

［5］姜云，李永林，李天斌，等．隧道工程圍巖大變形類型與機(jī)制研究［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004，15(4)：46-51．

Monitoring analysis on deformation of Elashan tunnel in construction in plateau frozen soil

LI Peng
(The 4th Engineering Co．，Ltd．of China Railway 21th Bureau Group，Xi'an Shaanxi 710065，China)

Tunnel construction monitoring can provide the data of vault settlement and horizontal convergence for establishment of deformation monitoring model，which could predict the trend of monitoring and measurement data for guiding tunnel construction．This paper introduced the theory and method of deformation monitoring，made a comprehensive analysis of frozen soil tunnel deformation law combined with the prediction results of deformation monitoring model in the ELA mountain tunnel construction process，and adjusted the construction scheme according to the observation of export shallow bias section．The subsequent monitoring results showed that the tunnel deformation has been effectively controlled，and the vault settlement and horizontal convergence is in a stabilized state．

Frozen soil tunnel;Shallow;Bias;Deformation monitoring;Model forecast

(責(zé)任審編 葛全紅)

U456.3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．09

1003-1995(2014)10-0036-04

2014-03-20;

2014-07-20

李鵬(1978— )，男，河北新樂人，高級(jí)工程師。