小垂距交叉軟巖隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析

宋桂鋒，武 松

(1.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；2.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室， 湖北 武漢 430071;3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

小垂距交叉軟巖隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析

宋桂鋒1，武 松2，3

(1.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；2.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室， 湖北 武漢 430071;3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

針對公路與鐵路小垂距交叉軟巖隧道的特點，以云南某上穿公路隧道為背景，對該隧道右幅交叉段進(jìn)行隧道凈空收斂、圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力、圍巖深部位移等項目的監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析該隧道的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及受力特點。結(jié)果表明，隧道右幅交叉段Ⅴ級圍巖采用三臺階臨時仰拱法開挖是可行的，能夠有效地控制圍巖變形，圍巖穩(wěn)定變形時間在30 d左右。監(jiān)測成果可用于對隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評估與預(yù)警，以便及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保證隧道施工安全性。

軟巖；交叉隧道；現(xiàn)場監(jiān)測；結(jié)構(gòu)應(yīng)力；深部位移；穩(wěn)定性

近年來，在我國交通鐵路、公路建設(shè)中，由于受地形、地物和地質(zhì)條件等因素的限制[1]，交叉隧道越來越多地出現(xiàn)，關(guān)于交叉隧道施工過程中的力學(xué)特性和安全性研究也越來越多[2-5]。交叉隧道開挖，必然會引起隧道圍巖的變形，進(jìn)而影響到已有隧道的圍巖及支撐結(jié)構(gòu)[6]。新建隧道安全貫通是工程界亟需解決的技術(shù)難題。針對交叉隧道，大量學(xué)者開展了交叉隧交叉段的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的安全控制技術(shù)[7]、地表沉降控制方法[8]、優(yōu)化施工參數(shù)[9-10]、圍巖的穩(wěn)定性分析[11-12]等。然而，上述研究都是針對具體的隧道開展的。李鵬飛等[13]開展了大量的隧道圍巖壓力現(xiàn)場監(jiān)測樣本收集，基于實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，開展了圍巖壓力的分布規(guī)律研究，為其他擬建隧道分析圍巖作用機(jī)制提供了有益的參考數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合云南某公路隧道的現(xiàn)場監(jiān)測工作，開展了軟巖隧道交叉段的圍巖變形和支撐結(jié)構(gòu)的受力等研究。研究結(jié)果可為后續(xù)的施工優(yōu)化提供依據(jù)，也可為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程背景

云南某公路隧道為分離式隧道。隧道右幅和左幅起點樁號分別為K7+230和K7+175，長度分別為895 m和905 m。該隧道與既有鐵路隧道存在2處交叉(右幅K8+080.49、左幅K8+036.61)，右洞交叉角約為81°，左洞交叉角約為79°，公路路面距鐵路隧道拱頂高度為34 m。

隧道地層為第四系(Q4)，圍巖以泥巖、砂巖和粉砂質(zhì)泥巖不等互層為主。因區(qū)域大斷裂帶的存在，隧道區(qū)段內(nèi)小構(gòu)造非常發(fā)育，巖石的節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體非常破碎，因此，隧洞開挖后無自穩(wěn)能力易坍塌。

2 監(jiān)測概況

為了研究小凈距交叉軟巖隧道施工過程中圍巖的變形穩(wěn)定，施工方案能否通過，支護(hù)體系能否滿足設(shè)計要求的強(qiáng)度，根據(jù)交叉隧道的結(jié)構(gòu)特點、施工工藝和地質(zhì)情況，隧道現(xiàn)場監(jiān)測主要有凈空收斂、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、圍巖壓力及圍巖位移監(jiān)測等。共布設(shè)凈空收斂監(jiān)測斷面3個(K8+100，K8+085，K8+070)，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測斷面與凈空收斂監(jiān)測斷面相同(如圖1所示)，其中凈空收斂共計18條測線，表面應(yīng)力計和土壓力計共計30個監(jiān)測點。

圖1 凈空收斂、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點布置示意圖

圍巖深部位移監(jiān)測斷面2個(K8+090，K8+060)，多點位移計監(jiān)測孔沿右側(cè)墻處指向隧道出口左洞方向向下傾斜45°鉆取，孔深分別為20 m和33 m，其測點編號分別為LSY1-1、LSY1-2、LSY1-3、LSY1-4和LSY2-1、LSY2-2、LSY2-3、LSY2-4，測點深度分別為11 m、13 m、15 m、17 m和15 m、20 m、25 m、30 m，監(jiān)測孔布置圖如圖2所示。

圖2 多點位移計監(jiān)測孔布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

該公路隧道右洞施工采取由隧道出口和進(jìn)口雙向掘進(jìn)的方式進(jìn)行，監(jiān)測工作從2012年6月22日開始，截至2012年8月20日出口右洞上導(dǎo)洞掌子面已掘進(jìn)至K8+048斷面處，累計開挖進(jìn)尺69 m。隧道右洞完全以短進(jìn)尺機(jī)械設(shè)備作業(yè)方式進(jìn)行，施工進(jìn)度進(jìn)展緩慢。本文主要分析本隧道右洞交叉段(右幅K8+080.49)代表性監(jiān)測斷面，簡要介紹小垂距交叉軟巖隧道的監(jiān)測成果，并進(jìn)行相關(guān)分析研究。

3.1 隧道變形監(jiān)測結(jié)果與分析

隧道右線K8+100、K8+085、K8+070斷面在觀測期間內(nèi)分別共進(jìn)行了16、12、34次現(xiàn)場監(jiān)測，其中K8+085監(jiān)測斷面凈空收斂分析如圖3所示。

圖3 隧道右洞K8+085斷面收斂曲線

從圖3可知，隧道出口右洞K8+085斷面凈空收斂最大累計值為-3.0 mm，出現(xiàn)在1→5測線，表明隧道下導(dǎo)坑施工對圍巖變形的影響較為明顯。根據(jù)判斷圍巖達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為施工完成后累計5 d的變形平均速率小于0.1 mm/d，隧道右洞交叉段圍巖等級為Ⅴ級，該監(jiān)測斷面圍巖變形穩(wěn)定時間為31 d。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道右幅該監(jiān)測斷面凈空收斂變形較小，在變形速率大小方面，累計收斂整體變化緩慢趨于穩(wěn)定；該監(jiān)測斷面位移變形隨著上、中、下臺階開挖通過各監(jiān)測斷面，凈空收斂會發(fā)生一定變化，從開始幾天變形較為嚴(yán)重，變形幅值也偏大，之后趨于緩慢增長，隧道凈空收斂基本穩(wěn)定時間大概在30 d左右[14-15]。施工過程中建議加強(qiáng)支護(hù)措施，二襯盡量及時跟上，避免由于隧道圍巖強(qiáng)度低自穩(wěn)性較差產(chǎn)生安全事故。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與分析

隧道K8+085斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 右洞K8+085斷面鋼拱架內(nèi)力-時間曲線

由圖4可知，截止2016年8月20日右洞K8+085斷面拱架受拉變形最大峰值達(dá)到-409.3 με，出現(xiàn)在8月15日測點LXY2-4右上拱肩部位拱架處,且相應(yīng)壓應(yīng)力為-81.9 MPa。監(jiān)測結(jié)果表明：該測點處拱架受壓過程至7月14日后已明顯趨于平穩(wěn)；相對而言，左上拱肩部位拱架處測點LXY2-2，拱頂部位拱架處測點LXY2-3和左上拱腰部位拱架處測點LXY2-1鋼支撐應(yīng)力變化均較小，且整個發(fā)展趨勢與測點LXY2-4處較一致；而右上拱腰部位拱架處測點LXY2-5鋼支撐受力則剛好相反，處于受拉狀態(tài)，其應(yīng)變值達(dá)到193.2 με，也出現(xiàn)在7月14日，之后也明顯趨于穩(wěn)定且相應(yīng)拉應(yīng)力為38.6 MPa，該處拱架與其他各處至8月11日后均開始轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，但變化速率較為緩慢。各測點應(yīng)力變化與鋼拱架受力狀況比較吻合，可以推測該斷面鋼支撐整體支護(hù)基本達(dá)到預(yù)期的效果，支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度滿足安全要求。

3.3 圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果與分析

隧道K8+085斷面圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 右洞K8+085斷面土壓力-時間曲線

由圖5可知，右洞K8+085斷面左上拱腰處測點LXY2-1土壓力最大，其最大峰值達(dá)到0.15 MPa，出現(xiàn)在7月14日；其次土壓力值為0.12 MPa，也產(chǎn)生在8月20日該處測點上；其他部位各測點土壓力則變化相對較平緩，且發(fā)展趨勢也較為一致。監(jiān)測結(jié)果表明:本階段該斷面處土壓力整體變化較為平緩，各測點變化趨勢基本穩(wěn)定，可以推測圍巖與支護(hù)體系結(jié)合作用較充分，混凝土在支護(hù)過程中發(fā)揮了相當(dāng)?shù)淖饔谩?/p>

3.4 圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)果與分析

隧道右幅K8+090斷面圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 右洞K8+090斷面圍巖深部位移-時間曲線

由圖6可知，右洞K8+090斷面圍巖深部位移監(jiān)測最大累計位移值約為-2.53 mm，出現(xiàn)在測點LSY1-1處(至7月18日)，該點孔深11.0 m，僅表現(xiàn)觀測初期有短暫的小幅波動，之后一直保持平穩(wěn)狀態(tài)；其他多點位移計各測點位移基本不明顯，累計位移量絕對值基本小于0.3 mm。本階段多點位移計監(jiān)測反映施工過程中巖體位移均普遍很小，變形速率逐漸變小，圍巖大體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。分析認(rèn)為，該斷面在孔口段10 m左右深度的位移變化不大，隧道施工對圍巖松動區(qū)的影響范圍很小，下穿鐵路隧道巖體受新建隧道開挖影響不大。

4 結(jié) 論

本文針對某公路隧道與下方既有鐵路隧道交叉段工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析得到如下結(jié)論：

(1) 從各斷面凈空收斂和深部位移監(jiān)測結(jié)果看，隧道右幅交叉段Ⅴ級圍巖采用三臺階臨時仰拱法開挖是可行的，三臺階臨時仰拱法主要應(yīng)用于軟弱圍巖隧道的修建，所用的支護(hù)體系能使圍巖變形得到有效的控制，并保證新建隧道的開挖順利進(jìn)行。

(2) 隧道開挖過程中，圍巖變形是時空效應(yīng)共同作用的結(jié)果，位移變形隨著上、中、下臺階的開挖逐漸增大，而且在開始的10 d左右增加較快，圍巖穩(wěn)定變形時間基本在30 d左右，如果圍巖較差，所需穩(wěn)定時間會有所增加。

(3) 結(jié)合各斷面凈空收斂量測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、圍巖壓力以及深部位移監(jiān)測的結(jié)果，均充分反映該隧道右洞至交叉段開挖并未引起大的圍巖變形，綜合考慮隧道施工對下穿鐵路隧道的擾動也沒有構(gòu)成直接影響，說明目前隧道施工對巖體沒有產(chǎn)生較大影響，基本處于安全狀態(tài)下，可穩(wěn)步推進(jìn)。

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Site Monitoring Data Analysis of Tunnels with Small Clear Spacing Close Cross Soft Rock

SONG Guifeng1, WU Song2,3

(1.TheReconstructionandExtensionProjectConstructionHeadquarterofYunnanXiao-moExpressway,Jinghong,Yunnan666100,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100000,China)

Based on a tunnel project in Yunnan province which pass a railway and surrounded by soft rock, it is critical to make a comprehensive monitoring on the mechanical characteristics of the tunnel during construction. According to its characteristics, some monitoring focusing on the convergence deformation, structure stress and rocks displacement etc has been carried out previously. The deformation and stress properties of surrounding rocks and supporting system are analyzed according to measured data. The results show that it is feasible to excavate the surrounding rock by using the three step temporary inversion method. The method can effectively control the deformation of the surrounding rock and the time stable deformation of the surrounding rock is about 30 days. The measured data can be used to assess the stability of the tunnel and provide early warning, and adjust the support parameters timely and ensure the safety of the tunnel construction.

soft rock; cross tunnel; site monitoring; structure stress; deep displacement; stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.039

2017-02-03

2017-03-05

云南省交通科技項目(云交科教[2016]140(A))

宋桂鋒(1975—)，男，云南鶴慶人，高級工程師，主要從事公路工程項目建設(shè)管理工作。E-mail:1550952821@qq.com

U456

A

1672—1144(2017)03—0188—04