小凈距泊上隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

郭伍軍 齊 甦 竇克偉 王 成

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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小凈距泊上隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

郭伍軍1齊 甦2竇克偉2王 成2

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

以貴州省余慶縣白泥鎮(zhèn)泊上隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，運(yùn)用指數(shù)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推測(cè)圍巖最大變形量，并結(jié)合變形速率和變形加速度判斷圍巖收斂情況，指導(dǎo)隧道二襯施作時(shí)機(jī)，為以后類似工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。

小凈距隧道，泊上隧道，圍巖，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

小凈距隧道是指并行雙洞公路隧道間夾巖石厚度較小，一般小于規(guī)范規(guī)定的凈距的一種特殊的隧道結(jié)構(gòu)形式。該種結(jié)構(gòu)可以解決分離式隧道的布線困難、占地較多和連拱隧道施工復(fù)雜、造價(jià)較高的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)小凈距隧道施工方法、支護(hù)措施、圍巖穩(wěn)定性分析等方面做了很多的研究[1-5]，小凈距隧道應(yīng)遵循“少擾動(dòng)、快加固、勤量測(cè)、早封閉”的原則，并將中間巖柱的穩(wěn)定與加固作為設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)。根據(jù)圍巖的情況和中間巖柱的大小，小凈距隧道的開挖和結(jié)構(gòu)支護(hù)方式有所不同。

泊上隧道為小凈距隧道，圍巖破碎，其中Ⅴ級(jí)圍巖約占隧道全長(zhǎng)65%，隧道開挖過(guò)程中，出現(xiàn)了大變形，為了保證隧道施工安全和進(jìn)度要求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和分析，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工，以體現(xiàn)“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、過(guò)程控制”的理念，為以后類似工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

泊上隧道位于貴州省余慶縣白泥鎮(zhèn)，高速公路雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)，屬中隧道。左線起訖樁號(hào)ZK83+195～ZK84+040，長(zhǎng)845 m，最大埋深約77 m；右線起訖樁號(hào)YK83+175～YK84+910，長(zhǎng)730 m，最大埋深約83 m。隧道凈寬10.25 m，隧道凈高5.0 m，小凈距隧道線間距控制在15 m以上，凈距約10 m，約為1.0B0。

該隧道區(qū)屬中低山地貌，地形起伏較大，隧址區(qū)第四系覆蓋層薄，圍巖段主要為硅質(zhì)頁(yè)巖、含礫板巖、砂質(zhì)板巖，其中Ⅴ級(jí)圍巖564.5 m，Ⅳ級(jí)圍巖260 m，隧址區(qū)域位于貴州東部NS向構(gòu)造帶、NNE向構(gòu)造帶和NE向構(gòu)造帶的交匯地區(qū)，處于相對(duì)較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性深大斷裂。

隧道單洞采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，施工工序及施工順序如圖1所示，隧道施工采用左洞先行的方案，當(dāng)先行洞(左洞)仰拱施工后再進(jìn)行后行洞(右洞)上斷面開挖，且先行洞(左洞)與后行洞(右洞)上斷面開挖距離不小于30 m。

2 監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是判斷圍巖和隧道穩(wěn)定狀態(tài)、保證施工安全、指導(dǎo)施工生產(chǎn)、進(jìn)行施工管理和提供設(shè)計(jì)信息的重要手段。根據(jù)泊上隧道的施工工藝和地質(zhì)條件，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要為變形量測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為地表沉降、拱頂下沉和凈空收斂，選取典型監(jiān)測(cè)斷面ZK83+533，監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，繪制位移—時(shí)間曲線，并利用最小二乘法的思想，進(jìn)行回歸分析，推算最終位移值，掌握位移變化規(guī)律，并對(duì)求得的回歸函數(shù)求一階、二階導(dǎo)數(shù)，得到斷面的變形速率函數(shù)和變形加速度函數(shù)，綜合判斷圍巖和隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)前期回歸分析發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)模型的回歸效果最好，相關(guān)系數(shù)最大，因此本次回歸分析模型選取了指數(shù)模型擬合，表達(dá)式見式(1)，表達(dá)式中a,b的計(jì)算方法見式(2)和式(3)，其中(xi，yi)為樣本觀察值，相關(guān)系數(shù)R的計(jì)算公式見式(4)。

y=a(1-e-bx)

(1)

(2)

(3)

(4)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地表監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

泊上隧道進(jìn)口左洞ZK83+225斷面從2014年11月12日開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，得到的地表沉降位移曲線如圖3所示。

由圖3可知，累計(jì)地表沉降量不是很大，最大沉降量約為5 mm，隧道開挖的工序?qū)Φ乇沓两盗康挠绊懞艽?，特別是在開挖上斷面核心土?xí)r，沉降量明顯增大。地表沉降受空間影響較大，在隧道正上方位置沉降量最大，遠(yuǎn)離隧道位置，沉降量較小，總體表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

3.2 拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

1)回歸分析。

ZK83+533斷面從2015年2月23日開始測(cè)量，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，直到穩(wěn)定為止。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制得到的位移—時(shí)間曲線及擬合曲線圖，如圖4所示，回歸函數(shù)為：

y=79.335(1-e-0.064 5x),R=0.993 46。

由圖4可知，泊上隧道拱頂下沉經(jīng)歷了從急劇變形到變形緩慢到最后基本穩(wěn)定的三階段。從監(jiān)測(cè)開始到第15天，圍巖基本開始趨于穩(wěn)定，這期間圍巖總變形量約占總變形量的75%，經(jīng)過(guò)35 d連續(xù)監(jiān)測(cè)，圍巖累計(jì)總位移量約為65 mm。根據(jù)擬合曲線，推算得到的累計(jì)擬合最大變形量Umax=78.494 mm。

2)拱頂下沉變形速率。

在監(jiān)控量測(cè)經(jīng)驗(yàn)反饋法中，容許變形速率對(duì)判斷圍巖的收斂具有重要的作用，也是國(guó)內(nèi)外判斷圍巖是否穩(wěn)定最常用的方法。用來(lái)指導(dǎo)隧道二襯的施作時(shí)間。通過(guò)對(duì)回歸函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，可得ZK83+533斷面變形速率，求得的變形速率—時(shí)間函數(shù)為：

y′=5.117e-0.064 5x。

變形速率—時(shí)間曲線如圖5所示，由圖5可知，當(dāng)t=20 d時(shí)，變形速率開始小于1 mm/d，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明圍巖開始趨于穩(wěn)定，當(dāng)t=60 d時(shí)，變形速率基本等于0，圍巖已經(jīng)穩(wěn)定。擬合結(jié)果基本符合現(xiàn)場(chǎng)情況，在后期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，變形速率出現(xiàn)了負(fù)值，主要是由于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)充分發(fā)揮了其自身的支撐能力。

3)拱頂下沉變形加速度。

y″=-0.330e-0.064 5x。

加速度—時(shí)間曲線如圖6所示，由圖6可知，圍巖變形加速度值一直處在小于0的坐標(biāo)軸下，且加速度值是減小的，圍巖可以自動(dòng)趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)的第20天，圍巖變形加速度值一直處于小于0.01mm/d2的狀態(tài)，與上面變形速率變化情況基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明圍巖處于基本穩(wěn)定階段。

3.3 凈空收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果與回歸分析

1)回歸分析。

泊上隧道凈空收斂采用了DE和FG兩條測(cè)線，由于DE測(cè)線的數(shù)據(jù)更多，因此，隧道凈空回歸收斂主要采用了DE測(cè)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。ZK83+533斷面凈空收斂位移—時(shí)間回歸函數(shù)為：y=48.802(1-e-0.047x),相關(guān)系數(shù)R=0.98。

擬合累計(jì)最大變形量Umax=48.802mm，擬合曲線如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)t=12d左右，累計(jì)收斂量約占總收斂量的70%，這一階段主要受空間效應(yīng)的影響較大，在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，ZK83+533斷面實(shí)測(cè)累計(jì)收斂量約為48mm，與擬合結(jié)果基本一致。

2)圍巖收斂變形速率。

通過(guò)對(duì)回歸函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)可得圍巖的變形速率—時(shí)間函數(shù)為：y′=2.294e-0.047x，變形速率—時(shí)間曲線如圖8所示；由圖8可知，在監(jiān)測(cè)初期，圍巖的變形速率和加速度較大，主要是受開挖的影響，當(dāng)t=20d時(shí)，圍巖的變形速率基本符合規(guī)范的要求。

3)圍巖收斂變形加速度。

對(duì)擬合函數(shù)進(jìn)行二階求導(dǎo)，變形加速度—時(shí)間函數(shù)為：y″=-0.108e-0.047x，變形加速度—時(shí)間曲線如圖9所示。由圖9可知，在監(jiān)測(cè)初期，圍巖的變形速率和加速度較大，主要是受開挖的影響，當(dāng)t=20d時(shí)，圍巖變形加速度基本滿足規(guī)范要求。

3.4 泊上隧道圍巖變形最終推測(cè)

預(yù)測(cè)隧道圍巖最終位移量的方法主要有極限速率法和位移容許速率法。極限速率法指對(duì)收斂回歸方程作t→+∞的極限運(yùn)算，從數(shù)學(xué)上計(jì)算圍巖最終位移量的大小。因此當(dāng)t→+∞時(shí)，左洞ZK83+533斷面累計(jì)最大變形量Umax=79.335 mm，最大收斂變形量Umax=48.802 mm，當(dāng)t=20 d時(shí)，圍巖的變形速率和加速度值基本符合規(guī)范要求，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合泊上隧道圍巖變形最終預(yù)測(cè)結(jié)果，建議泊上隧道二襯施作時(shí)機(jī)為掌子面開挖后約20 d，考慮預(yù)測(cè)結(jié)果是基于時(shí)間為趨于無(wú)窮大和且無(wú)支護(hù)的狀態(tài)，考慮到后期支護(hù)發(fā)揮其自身的支撐作用后，圍巖的變形可以得到一定的限制，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)留變形量約為40 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析可知，泊上隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝符合要求，能控制圍巖變形，能夠保證圍巖的穩(wěn)定性。

2)通過(guò)對(duì)泊上隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，利用指數(shù)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，通過(guò)分析結(jié)果可知，泊上隧道圍巖變形主要經(jīng)歷了急劇變形→緩慢變形→基本穩(wěn)定三階段，主要受時(shí)、空間效應(yīng)的影響比較明顯。在t=20 d左右，圍巖基本穩(wěn)定。

3)通過(guò)回歸模型，對(duì)泊上隧道圍巖變形進(jìn)行了最終的預(yù)測(cè)，建議二襯的施作時(shí)機(jī)在掌子面開挖后20 d，這時(shí)圍巖的變形速率滿足施工規(guī)范要求，考慮圍巖的支護(hù)措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留一定的變形量。

[1] 夏才初,龔建伍,唐 穎,等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(1):44-50.

[2] 張國(guó)華,陳禮彪,錢師雄,等.大斷面小凈距大帽山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及分析[J].巖土力學(xué),2010,31(2):489-496.

[3] 唐明明,王芝銀,李云鵬.穿越公路偏壓小凈距隧道施工方法探討[J].巖土力學(xué),2011,32(4):1163-1168.

[4] 龔建伍,雷學(xué)文.大斷面小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2010,31(S2):412-417.

[5] 楊建平,陳衛(wèi)忠,郭小紅.小凈距公路隧道支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響研究[J].巖土力學(xué),2008,29(2):483-490.

Field monitoring measurement analysis of Bo-Shang small-distance tunnel

Guo Wujun1Qi Su2Dou Kewei2Wang Cheng2

(1.CCCCSecondHighwayEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710065,China;2.EngineeringFaculty,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Taking Baini County Bo-Shang tunnel in Yuqing of Guizhou for example, we infer to the terminal deflections by which the field monitoring measurements results using exponential model for regression analysis. Also we will judge the surrounding rock stability by the deformation rates and accelerations. Also the analysis results can conduct the opportunity to construct the second lining and provide experiences for similar engineering practice in the future.

small-distance tunnel, Bo-Shang tunnel, surrounding rock, monitoring data

1009-6825(2017)13-0166-03

2017-02-27

郭伍軍(1969- )，男，高級(jí)工程師

U456

A