黃土隧道圍巖預(yù)警技術(shù)體系初探

■李志宏 ■山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600

黃土是第四系堆積的陸相沉積物，按地層學(xué)依次為全新世黃土、馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土。其特點(diǎn)具有大孔隙，有垂直節(jié)理，強(qiáng)度隨含水率的變化明顯，有較強(qiáng)的濕陷性;公路隧道由于跨徑大、斷面大、和扁平狀特點(diǎn)再加上黃土不穩(wěn)定性，開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖變形影響因素眾多，各類規(guī)范規(guī)定分散，初步結(jié)合工程實(shí)踐制定以下預(yù)警體系。

黃土隧道圍巖預(yù)警體系

1 預(yù)警指標(biāo)

預(yù)警指標(biāo)是預(yù)警技術(shù)體系的前提。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合工程實(shí)際、管理方要求、專家評(píng)審主要選定指標(biāo):1、變形累計(jì)允許最大值2、變形速率、3 變形加速度。

變形累計(jì)允許最大值指滿足圍巖下沉不侵入二襯，保證隧道不產(chǎn)生有害松動(dòng)的條件下，自隧道開(kāi)挖到變形穩(wěn)定時(shí)變形數(shù)值。用周邊水平位移總量和拱頂下沉總量U 表示。變形速率即單位時(shí)間變形率，用V 表示。以上兩個(gè)指標(biāo)受隧道地質(zhì)條件、埋深、斷面尺寸、支護(hù)參數(shù)、施工工法影響精確性不高，波動(dòng)大，單獨(dú)使用有局限性;以往監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)，變形加速度可以反映圍巖變化趨勢(shì)，大于零時(shí)，說(shuō)明圍巖變形加速;小于零時(shí)說(shuō)明圍巖變形減緩;等于零時(shí)，說(shuō)明圍巖變形延續(xù)。一般情況測(cè)量斷面開(kāi)挖通過(guò)及再次擾動(dòng)時(shí)變形加速度大于零，且延續(xù)時(shí)間較短，圍巖未擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)加速度大于零屬圍巖異常。這三個(gè)指標(biāo)綜合取定后為定量指標(biāo)，可以分圍巖等級(jí)及洞口段設(shè)置。另外，地表下沉作為洞口指標(biāo)單獨(dú)設(shè)置，洞內(nèi)外觀察作為定性指標(biāo)推薦使用，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為強(qiáng)制性指標(biāo)使用。具體計(jì)算辦法參照《公路隧道施工監(jiān)測(cè)規(guī)范》。

U1 為計(jì)算最大允許變形值;U2 施工單位經(jīng)驗(yàn)值;U3 設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

2 影響因素

影響因素是預(yù)警技術(shù)體系的基礎(chǔ)。通過(guò)列舉法把黃土隧道影響圍巖穩(wěn)定因素進(jìn)行初步整理。參考勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控量測(cè)規(guī)范涉及公路黃土隧道圍巖穩(wěn)定因素的整合。影響因素考慮建設(shè)工程全過(guò)程管理，其中勘察設(shè)計(jì)階段的影響因素占決定性因素，但波動(dòng)性小，主要考慮設(shè)計(jì)規(guī)范動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)、信息化施工理念，正常施工時(shí)期作為施工階段的固定因素考慮，不得擅自隨意更改，筆者作為施工人員僅做簡(jiǎn)要選定;施工階段的影響因素較多，易受施工條件、人員素質(zhì)、施工隊(duì)伍水平、機(jī)械化程度等非技術(shù)性因素干擾多。不同的因素影響的程度不同，可以按照敏感性進(jìn)行分類;體系中影響因素是工程建設(shè)的藍(lán)本，應(yīng)根據(jù)不同的項(xiàng)目，針對(duì)性修正;下面是筆者案例中制定的影響因素表。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 警戒措施

(1)4 小時(shí)內(nèi)通知監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)代表，施工指示為黃燈;(2)加大監(jiān)控量測(cè)頻率;(3)會(huì)同監(jiān)理單位對(duì)照影響因素檢測(cè)是否有設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行不到位，如有采用臨時(shí)支護(hù)措施，雙倍補(bǔ)強(qiáng);(4)調(diào)整開(kāi)挖進(jìn)尺、放慢掌子面掘進(jìn)，縮短仰拱二襯距掌子面距離;(5)拱架底部夯實(shí)，加大臨時(shí)鋼墊板;(6)設(shè)計(jì)單位復(fù)核勘察設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)監(jiān)理批準(zhǔn)可暫時(shí)增加系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿。

3.2 應(yīng)急措施

(1)1 小時(shí)內(nèi)通知監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主，暫停掘進(jìn)，施工指示為紅燈，對(duì)人員機(jī)械進(jìn)出嚴(yán)格管控;(2)對(duì)拱頂及拱腳采用臨時(shí)鋼支撐，必要時(shí)對(duì)臺(tái)階部位返回填;(3)仰拱在臨時(shí)支撐下，以2 米為單位半幅澆筑，二襯持續(xù)跟進(jìn);(4)對(duì)未成環(huán)拱架增設(shè)錨桿，臨時(shí)支撐;(5)結(jié)合警戒期間復(fù)核設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整;(6)應(yīng)急段落圍巖穩(wěn)定后，二襯澆筑強(qiáng)度滿足要求解除;如發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)征兆，迅速撤離人員。

案例:油坊溝隧道位于興縣油坊溝東南，設(shè)計(jì)為左右分離式，右洞全長(zhǎng)1175 米，左洞全長(zhǎng)1170 米。隧道地層由老到新依次三疊系二馬營(yíng)組砂巖，第三系靜樂(lè)組粉土，第四系上更新馬蘭組黃土，圍巖等級(jí)為IV、V 級(jí)。地形地貌為梁峁?fàn)钪械蜕絽^(qū)，呈東西走向。洞體最大埋深97.5 米，岢嵐端自然坡20 度，右洞進(jìn)口40 米有偏壓，臨縣端自然坡15度，出口90 米屬淺埋段。隧道凈寬10.25 米，限高5 米。V 級(jí)圍巖采用預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖，IV 級(jí)采用上下斷面正臺(tái)階開(kāi)挖。

3.3 預(yù)警指標(biāo)

(1)U:允許最大變形值

計(jì)算允許最大變形值:V 級(jí)U1=11.25* 0.008=0.09m;IV 級(jí)U1=11.25* 003=0.03m

經(jīng)驗(yàn)最大變形值:V 級(jí)U1=0.1-0.15m;IV 級(jí)U1=0.05-0.1m;洞口淺埋偏壓增加0.1m

設(shè)計(jì)預(yù)留變形值:U3=0.05m

V 級(jí)U=(U1 +U2)/2 +U3=15cm;IV 級(jí)U=(U1 +U2)/2 +U3=8cm;洞口淺埋偏壓段落增加5cm

(2)管理等級(jí)

U0 為經(jīng)回歸計(jì)算實(shí)測(cè)最大變形值。

該隧道啟動(dòng)警戒措施4 次，應(yīng)急措施1 次。主要原因:(1)施工人員掘進(jìn)、仰拱、二襯安全步距不能嚴(yán)格執(zhí)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn);(2)部分段落噴錨支護(hù)系統(tǒng)不規(guī)范，存在隨意變動(dòng);(3)工字鋼連接不認(rèn)真，間距偏差大;(4)特殊段落(洞口、淺埋、偏壓段V 級(jí)圍巖環(huán)形開(kāi)挖留核心土工法保證性不強(qiáng)，擾動(dòng)次數(shù)多，變形累計(jì)大，推薦使用側(cè)壁導(dǎo)坑法;(5)勘察設(shè)計(jì)對(duì)小型沖溝陷坑及仰坡重視程度不夠，設(shè)計(jì)不夠詳盡。

4 結(jié)論

(1)特殊段落變形指標(biāo)偏小，需要更科學(xué)的方法研究極限變形指標(biāo)，案例應(yīng)急措施段最大累計(jì)變形45cm，有3 米段落進(jìn)行換拱處理事故，建議優(yōu)先考慮側(cè)壁導(dǎo)坑法;(2)變形的主要誘導(dǎo)因素是施工隊(duì)伍設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行不夠嚴(yán)格，需提高管理措施;勘察設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)部位需要加強(qiáng)，本例應(yīng)急段落就是由于距洞口50 米處橫穿隧道小沖溝引發(fā)，勘察設(shè)計(jì)影響因素更明顯。

以上是對(duì)黃土隧道圍巖預(yù)警技術(shù)體系的簡(jiǎn)要探討，它和管理體系、組織體系共同作用。一方面減少侵限事故，控制圍巖變形，避免失穩(wěn)發(fā)生。另一方面，通過(guò)體系運(yùn)行文件記錄，為動(dòng)態(tài)化隧道設(shè)計(jì)，安全科學(xué)施工，持續(xù)改進(jìn)公路黃土隧道技術(shù)提供基礎(chǔ)資料。當(dāng)然，文中不足之處甚多，需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)提高，以便更好服務(wù)于隧道建設(shè)。

［1］《黃土公路隧道工程》人民交通出版社，康軍，2011.

［2］《公路隧道設(shè)計(jì)與施工新法及應(yīng)用》人民交通出版社，朱漢華，2010.

［3］《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTGC20-2011.

［4］《公路工程隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTGF60-2009.

［5］《公路工程隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD70-2004.