陳 娛，張成良，王海強

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

?

淺埋偏壓連拱隧道現(xiàn)場監(jiān)測與分析研究

陳 娛，張成良，王海強

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

針對石紅高速大中山1#雙連拱淺埋偏壓隧道，選擇典型斷面，埋設(shè)監(jiān)控量測設(shè)備對隧道施工過程中圍巖的變形和支護結(jié)構(gòu)受力進行適時的監(jiān)測，對監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)監(jiān)控量測的信息對隧道施工過程中出現(xiàn)的圍巖變形和支護受力進行深入分析，得出了淺埋偏壓隧道在偏壓作用下和施工擾動下的受力特征和變形特性。結(jié)果表明，隧道在偏壓作用下有向淺埋側(cè)偏移的趨勢，在進行隧道開挖過程中，減少偏壓側(cè)不平衡推力對于保證隧道的安全穩(wěn)定有及其重要作用。

淺埋偏壓；連拱隧道；監(jiān)控量測；圍巖變形；支護結(jié)構(gòu)

近幾年伴隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，也帶動了高速公路的飛速發(fā)展。由于公路隧道受到山嶺重丘區(qū)的線型、展線、隧道選址區(qū)工程地質(zhì)情況等因素的影響，線路中多選用連拱隧道施工方案[1]。連拱隧道具有工序復(fù)雜，圍巖多次被擾動，支護結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點。目前我國建成的連拱隧道已有一定的數(shù)量，在設(shè)計、和施工方面積累了一定的經(jīng)驗，在加上近些年來國內(nèi)外運用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等手段對連拱隧道的圍巖變形與應(yīng)力分布、支護結(jié)構(gòu)受力等方面進行了大量研究，也取得了不少的研究成果。但是，對于不同的隧址區(qū)，其地形地貌、地質(zhì)條件各不形同，個例研究中取得的成果不具有普遍性，尤其在淺埋地形偏壓條件下，連拱隧道在施工過程中易發(fā)生圍巖坍塌、襯砌出現(xiàn)病害等一系列問題[2]。我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]就明確指出：連拱隧道存在偏壓時，應(yīng)對支護參數(shù)與施工工法進行特殊設(shè)計。因此本文以石紅高速大中山1#隧道的監(jiān)控量測為依據(jù)，分析了隧道在各開挖步驟中以及不平衡推力作用下圍巖的變形特征[4]。同時研究了隧道在偏壓作用下不平衡推力是如何作用于支護結(jié)構(gòu)，以及支護結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力作用下的狀態(tài)，為隧道支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)，更好的指導(dǎo)施工，減小病害的產(chǎn)生。

1 工程概況

大中山1#連拱隧道位于撮科河左岸大岔河一帶，為構(gòu)造侵蝕山地地形地貌區(qū)，溝谷縱橫，切割較深，隧道起點K28+700，止點K29+165，隧道長465m，位于溝谷中下部，自然坡度40～70°。隧址區(qū)地下水埋藏較深，雨季受大氣降水補給。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道進口K28+700～K28+760段和隧道出口K29+037～K29+165段為Ⅴ類圍巖，其余段位Ⅳ類圍巖，圍巖巖性上部為碎石，呈松散狀結(jié)構(gòu)，下伏基巖為石英砂巖夾粉砂巖，呈強風(fēng)化碎石狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖易坍塌。淺埋時易出現(xiàn)地表下沉或坍至地表。針對以上情況，本隧道Ⅴ級圍巖淺埋段采用三導(dǎo)洞法施工，從出口端開挖，先行洞超前后行洞30m，施工工序如圖1。由于隧道存在偏壓，施工工序復(fù)雜，圍巖多次擾動，在大中山隧道群中，已有隧道邊墻出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象。

2 現(xiàn)場監(jiān)測點的布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，地表沉降觀測點在隧道進出口各布置兩排，間距15m，每排布置9個觀測點，在隧洞拱頂上部地表測點布置稍密一些。不動點布置在隧道進出口正對的山上，使用Leica全站儀進行數(shù)據(jù)采集。拱頂沉降和周邊收斂布置在同一個斷面上，本隧道Ⅴ級圍巖段拱頂沉降和周邊收斂量測斷面間距15m，Ⅳ級圍巖段斷面間距20m。數(shù)據(jù)采集使用鋼尺收斂計，測點初讀數(shù)要保證在開挖12h內(nèi)和下一循環(huán)開挖前完成。具體布置如圖2。為了更好的掌握隧道在偏壓作用下圍巖和支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，在隧道Ⅴ級圍巖段K28+850斷面和K29+125斷面分別布置一個綜合監(jiān)測斷面，量測項目包括：拱頂下沉、周邊收斂、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、鋼支撐軸力、層間支護壓力以及初支、二襯混凝土內(nèi)應(yīng)力。各監(jiān)測項目布置如圖3。

3 數(shù)據(jù)的整理及分析

3.1 量測數(shù)據(jù)的對比分析

由于1#隧道進出口段為淺埋偏壓段，圍巖巖性Ⅴ級。開挖從隧道出口端開始，所以地表沉降取K29+140、K29+125斷面進行分析，水平收斂取K29+125和K29+090斷面進行分析，拱頂下沉、選測項目取K29+125綜合斷面進行對比分析。

從圖4可以看出，隧道出口地表下沉，受施工步距影響較大，特別是左右幅隧道下臺階和仰拱開挖時，隧道地表沉降速率明顯增加，所以在施工時應(yīng)加快仰拱的澆注速度，盡早讓隧道閉合成環(huán)。另外深埋側(cè)隧道在各開挖步驟中地表累計下沉明顯，可以看出在偏壓存在的情況下，開挖深埋側(cè)隧道圍巖應(yīng)力釋放較淺埋側(cè)劇烈。如圖5所示，K29+140斷面各測點地表下沉量均較大，特別是中隔墻上部測點4累計下沉量達到了53mm。說明左右幅隧道交錯施工，對中隔墻上部區(qū)域的覆巖沉降影響較大。此外，該段屬于隧道淺埋偏壓段，圍巖強度較低，開挖后圍巖很難形成承載拱[5]，易形成滑動面，產(chǎn)生大范圍的塑性流動區(qū)，所以造成各沉降點下沉量普遍增大。針對淺埋偏壓段上覆巖層下沉劇烈的情況，在開挖過程中，應(yīng)采用噴錨和管棚注漿預(yù)加固圍巖。

從圖6可以看出，先行洞拱頂下沉在開挖15d后開始趨于穩(wěn)定，當深埋側(cè)后行洞掌子面開挖到該斷面時，淺埋側(cè)隧洞拱頂下沉又有所增加，說明深埋側(cè)隧道開挖對淺埋側(cè)圍巖變形有一定的影響。由拱頂隨掌子面開挖距離沉降變化圖可以看出，淺埋側(cè)該斷面距離掌子面離開20m，開始趨于穩(wěn)定，時間約為13d，深埋側(cè)在掌子面離開37m后開始趨于穩(wěn)定，時間大約為25d。而且，深埋側(cè)最大累計沉降為21.4mm，淺埋側(cè)最大累計下沉為8mm，深埋側(cè)累計下沉稱速率遠遠大于淺埋側(cè)。說明連拱隧道在偏壓存在的情況下，深埋側(cè)隧道的開挖對圍巖的擾動較淺埋側(cè)明顯[6]，圍巖變形較淺埋側(cè)劇烈。

圖7是K29+090與K29+125斷面左右幅隧道水平收斂累計曲線圖。從圖中可以看出，兩個斷面水平收斂累計曲線具有相似的變化趨勢。該斷面掌子面開挖前后左右洞都迅速收斂，先行洞水平收斂在開挖15d后開始趨于穩(wěn)定，當后行洞掌子面開挖到該斷面后，其水平收斂又緩慢的增加，說明施工擾動引起的圍巖變形比較明顯。當后行洞掌子面開挖13d后，深埋側(cè)隧洞水平收斂向洞內(nèi)累計位移達到最大，隨后開始擴張，而淺埋側(cè)水平收斂位移速率有所增加，可以看出偏壓形成的不平衡推力，作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)，再通過初期支護傳遞到中隔墻，同時隧道上部地表為斜坡，上覆圍巖的不均布荷載也直接作用于中墻頂部，從而使中隔墻有向淺埋側(cè)偏移的趨勢[7]。另外，深埋側(cè)隧道開挖后引起的圍巖前后差異變形與淺埋側(cè)圍巖向洞內(nèi)緩慢的收斂，說明，先開挖淺埋側(cè)后開挖深埋側(cè)可以有效減弱深埋側(cè)隧道開挖后不平衡推力以及上覆圍巖對中隔墻的作用，減小中隔墻頂部的應(yīng)力集中[8]。對于保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要意義。

3.2 選測項目數(shù)據(jù)整理和分析

如圖8所示，圍巖所受應(yīng)力分布復(fù)雜，深埋側(cè)隧洞拱頂受力達到0.093MPa，約為淺埋側(cè)拱頂?shù)?倍，而淺埋側(cè)左拱腰上部受力達到最大為0.095MPa，這是由于圍巖在淺埋偏壓形成的不平衡荷載作用下，致使各個測點受力差異突出。同時，圍巖所受應(yīng)力較大將導(dǎo)致初期支護在較短的時間內(nèi)向洞內(nèi)收斂[9]。在施工過程中應(yīng)注意觀察圍巖的變形，適當增加毛洞拱腰上部范圍注漿小導(dǎo)管的密度，防止其變形過大而失穩(wěn)。

圖9為該斷面鋼支撐軸力圖，和圍巖接觸應(yīng)力狀態(tài)圖有所不同，表現(xiàn)為淺埋側(cè)隧道鋼支撐軸力均較深埋側(cè)相應(yīng)部位大，這是由于左右幅隧道埋深不同，深埋側(cè)隧洞開挖后傳遞給中墻的應(yīng)力比淺埋側(cè)大，同時左右幅隧洞通過襯砌傳遞給中墻的應(yīng)力也大小不等[10]，為平衡深埋側(cè)隧道的推力，促使淺埋側(cè)隧道初期支護與圍巖作用力加大。所以在錨噴初支的過程中，除了采用錨噴支護體系聯(lián)合格柵鋼架，同時應(yīng)適當增加鋼支撐的密度，保證隧道在偏壓作用下，其淺埋側(cè)初期支護不發(fā)生屈服破壞。

如圖10所示，隧道左幅邊墻受力比右幅邊墻大，而且隧道右幅拱頂與左幅靠中隔墻頂部部位受力分別達到了25.98MPa和26.76MPa，已超過C25混凝土的極限抗壓強度，說明偏壓荷載對隧道初期支護個別點的作用突出。由于只是初噴混凝土個別點達到了極限強度，對初期支護整體的穩(wěn)定性不會造成太大的影響。同時，隧道處在斜坡上，在上覆圍巖自身重力和不平衡推力共同作用下，圍巖變形較大，隧道初期支護拱頂范圍受力較大[11]，在施工過程中應(yīng)予以重視。

圖11為K29+125斷面左右幅隧道層間支護壓力狀態(tài)圖，按設(shè)計要求，隧道二次襯砌應(yīng)在圍巖變形和初期支護變形穩(wěn)定以后施作，同時施做二襯時與初期支護間留有預(yù)留空間，二襯接觸受力應(yīng)該很小，量測結(jié)果顯示二襯接觸受力較大，主要是該斷面所處淺埋偏壓段，圍巖較破碎，在偏壓作用下，圍巖與初期支護變形較大，為了保證隧道的穩(wěn)定，在初支變形還未穩(wěn)定，便緊跟二襯，所以導(dǎo)致層間支護壓力很大。二次襯砌作為隧道的永久承重結(jié)構(gòu)，在施工過程中，還應(yīng)優(yōu)化澆注二襯的時機。

從圖12可以看出，淺埋側(cè)隧道中墻上部到拱頂范圍二襯混凝土受力較大，最大達到了5.75MPa，其所受內(nèi)應(yīng)力已達到了C30混凝土的抗剪強度，說明偏壓通過深埋側(cè)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)傳遞過來的荷載對該范圍襯砌結(jié)構(gòu)作用較大。從現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，淺埋側(cè)隧道從右拱腰到拱頂范圍有大量裂縫產(chǎn)生。裂縫分布形態(tài)多為縱向、斜向、或x型裂縫，裂縫的傾向大多與地表坡向一致，這是典型的剪切裂縫[12]。通過對裂縫監(jiān)測，未見長度寬度有所增加，玻璃片也未破裂，可以確定隧道在偏壓作用下支護結(jié)構(gòu)受力已趨于穩(wěn)定，對隧道的穩(wěn)定性不會造成破壞。對于裂縫病害，應(yīng)采取有效的措施治理，防止隧道出現(xiàn)滲水。

4 結(jié)語

1)隧道偏壓嚴重，在圍巖與不平衡推力共同作用下中隔墻有向淺埋側(cè)運動的趨勢，所以在施作中隔墻時，應(yīng)增加其抗壓、抗彎強度。同時不平衡推力通過深埋側(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)以及中隔墻作用于淺埋側(cè)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，使其初支和二次襯砌受到破壞，所以在施工過程中應(yīng)優(yōu)化二次襯砌澆注的時機，同時應(yīng)提高淺埋側(cè)隧道初支及二襯的強度，確保隧道的穩(wěn)定性。

2)由于隧道地處淺埋偏壓段，圍巖變形劇烈，左右幅隧道結(jié)構(gòu)受力不均，使淺埋側(cè)隧道結(jié)構(gòu)與圍巖作用力加大，導(dǎo)致初期支護變形較大，鋼支撐受力增加，所以在施工過程中應(yīng)優(yōu)化錨噴初期支護，適當增加淺埋側(cè)鋼支撐的密度，以確保其支撐強度。

3)隧道偏壓現(xiàn)象明顯，在施工過程中減小不平衡推力的作用，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定就變得十分重要了。

4)在偏壓作用下，先開挖淺埋側(cè)后開挖深埋測，可以有效減小隧道開挖后不平衡推力對中隔墻的作用，減小中隔墻頂部的應(yīng)力集中，對隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性起到積極的作用。

[1]閆計瑞,劉 海,王 強.灰色理論在偏壓連拱隧道中的應(yīng)用[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,3(32):75-78.

[2]蘇生瑞,朱合華,李國峰.連拱隧道襯砌病害及其處治[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(1):2510-2515.

[3]JTG D70/2-2014,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4]鄭凱,劉保國.復(fù)雜地質(zhì)條件下大跨度雙連拱隧道監(jiān)控量測技術(shù)的運用[J].隧道建設(shè), 2006,26(2):53-56.

[5]曹云欽,王小林.偏壓連拱隧道中墻優(yōu)化分析[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(4):537-540.

[6]朱正國,喬春生,高保彬.淺埋偏壓連拱隧道的施工優(yōu)化及支護受力特征分析[J].巖土力學(xué),2008,29(10):2747-2753.

[7]段海澎,徐干成,劉寶國.富溪偏壓連拱隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形和受力特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(2):3763-3768.

[8]張志強,何 川.偏壓連拱隧道優(yōu)化施工研究[J].巖土力學(xué),2007,28(4):723-727.

[9]申玉生,高 波.雙連拱隧道施工偏壓力學(xué)特性的監(jiān)測與分析研究[J].巖土力學(xué),2006,27(11):2061-2065.

[10]莊 寧,朱苦竹,李軍偉.偏壓連拱隧道施工的動態(tài)模擬及最優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué),2009,30(9):2875-2880.

[11]丁文其, 王曉形, 朱合華, 等.連拱隧道設(shè)計荷載的確定方法[J].中國公路學(xué)報,2007,20(5):78-82.

[12]王建秀,朱合華,唐益群, 等.雙連拱公路隧道裂縫成因及防治措施[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(2):195～202.

(責任編輯李軍)

On-sitesupervisionmeasureandanalysisofshallowmulti-archtunnelunderunsymmetricalpressure

CHENYu,ZHANGChengliang,WANGHaiqiang

(FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScience&Technology,Yun’nanKunming650093,China)

ConsideringtheconditionofDazhongshan1#shallowmulti-archtunnelunsymmetricalpressureinShihongExpressway,andsettingtestingcomponentintypicalcross-sections,thetunnel’ssurroundingrockandsupportingstructureforcearedulymonitored.Aftertheanalysisofthemonitoringdate,accordingtositemonitoringandinformationfeedback,thesurroundingrockdeformationandsupportingforcewereanalyzedin-depthduringtheexcavationofthetunnelandsummarizedthecharacteristicsofforceanddeformationwhenthetunnelunderunsymmetricalpressure.Theresultsindicatethatthetunnelhastheinclinationtothesideofshallowerdepthofcoverundertheasymmetry,whichmakesanimportantroleinguaranteeingthestructurestability.Basedontheengineeringcase,thearticlediscussedthestabilityoftunnelduringtheexcavation,whichcanprovidereferenceforsimilarworks.

shallowburiedbias;multiple-archtunnel;monitoringandmeasuring;surroundingrockdeformation;supportingstructure

2015-11-23

云南省省級人培項目資助(KKSY201421030)

陳娛(1989-)，男，四川巴中人，碩士，主要研究方向為巖石力學(xué)與工程。

1673-9469(2016)02-0063-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.014

TU45

A