濕陷性大斷面黃土一次襯砌模筑混凝土隧道監(jiān)控量測(cè)分析

劉子陽，李德武

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隧道工程

濕陷性大斷面黃土一次襯砌模筑混凝土隧道監(jiān)控量測(cè)分析

劉子陽，李德武

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

通過對(duì)蘭州南繞城某高速公路隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，分析了現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形、接觸壓力和一次模筑混凝土應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的變形狀態(tài)及支護(hù)條件的可靠程度有了更科學(xué)的了解。研究成果為隧道的現(xiàn)場(chǎng)施工提供了必要的依據(jù)，同時(shí)也可為以后類似地質(zhì)條件下隧道的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

雙層模筑混凝土；濕陷性黃土；監(jiān)控；量測(cè)

1 工程概況

蘭州南繞城某高速公路隧道位于蘭州市榆中縣境內(nèi)，進(jìn)口布置于上井灘溝左側(cè)階地后緣，出口布置于瑞家溝右側(cè)。進(jìn)出口附近溝道較窄，隧道右線YK2+948～YK5+224、2 296 m，左線ZK2+951～ZK5+257、2 306 m，為分離式長(zhǎng)隧道。隧址區(qū)屬于黃土梁區(qū)，海拔在1 810～2 030 m。隧址區(qū)底層可分為三大層組：第四系坡積層、第四系風(fēng)積層、第四系沖洪積層，地層為Ⅴ級(jí)圍巖段。隧道采用短臺(tái)階開挖法施工，臺(tái)階總長(zhǎng)14～20 m，隧道洞頂最大埋深為140 m，一次襯砌緊跟開挖面，嚴(yán)禁爆破開挖。

2 監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施

2.1 監(jiān)控量測(cè)的目的

本研究隧道采用新奧法原理施工，周邊收斂及拱頂下沉量測(cè)是施工的重要組成部分。通過監(jiān)控量測(cè)能掌握圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用量測(cè)結(jié)果修改設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工，預(yù)見事故和險(xiǎn)情，以便及時(shí)采取措施。量測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理與必要的計(jì)算和判斷后，進(jìn)行預(yù)測(cè)和反饋，以保證施工安全和隧道穩(wěn)定。

2.2 監(jiān)控?cái)嗝娴倪x擇

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況的勘測(cè)，為了更好的了解圍巖的應(yīng)力情況，指導(dǎo)和優(yōu)化施工方案，監(jiān)控量測(cè)的斷面選為黃土地質(zhì)比較典型的ZK4+865.5斷面。

2.3 監(jiān)控內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)規(guī)范，隧道監(jiān)測(cè)一般包括地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉以及錨桿內(nèi)力等必測(cè)項(xiàng)目和地表下沉、圍巖體內(nèi)位移以及鋼支撐內(nèi)力及外力等選測(cè)項(xiàng)目。本篇取隧道ZK4+865.5處布設(shè)監(jiān)控?cái)嗝妫珨嗝婀苍O(shè)8個(gè)儀器安裝點(diǎn)，分別位于拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻和仰拱，監(jiān)控項(xiàng)目包括圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、接觸壓力。通過記錄各部位所安裝儀器的數(shù)據(jù)，對(duì)隧道施工過程中各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

表1 隧道監(jiān)測(cè)測(cè)試元件指標(biāo)表

2.4 監(jiān)測(cè)頻率

表2 隧道監(jiān)測(cè)頻率表

3 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 拱頂位移測(cè)量與分析

在隧道的施工過程中，針對(duì)ZK4+865.5斷面，全斷面共設(shè)9個(gè)安裝點(diǎn)，分別位于拱頂、拱頂左、拱頂右、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻，其中拱頂左和拱頂右側(cè)點(diǎn)距離拱頂水平方向的距離是1 m，拱頂、拱頂左、拱頂右三測(cè)點(diǎn)用于拱頂下沉測(cè)量。在各測(cè)點(diǎn)的鋼釬上黏貼反光膜，用高精度全站儀測(cè)量。通過記錄隧道開挖過程中圍巖的變形情況，并對(duì)變形情況進(jìn)行分析。如圖1～圖2。

圖1 斷面拱頂沉降值—時(shí)間曲線圖

通過對(duì)ZK4+865.5斷面進(jìn)行拱頂下沉及水平收斂觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)如下特征：

(1)變形量大。隧道開挖后，圍巖的變形明顯。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，拱頂?shù)淖畲笙鲁亮繛?3.9 mm，且第2天的下沉速率較大為4.7 mm/d，之后拱頂下沉速率波動(dòng)較大，第8天過后，拱頂下沉變化較小在可控制范圍之內(nèi)，下沉穩(wěn)定，截至數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，拱頂下沉達(dá)到73.9 mm。

圖2 斷面測(cè)線收斂值—時(shí)間曲線圖

(2)初期變形快且變形速率大。隧道開挖后初期變形速率大，拱頂下沉速率為4.8 mm/d，上測(cè)線水平收斂速率達(dá)到0.87 mm/d，下測(cè)線水平收斂速率為-0.37 mm/d，但離隧道預(yù)留變形量的標(biāo)準(zhǔn)較遠(yuǎn)，處在可控范圍內(nèi)。初期變形速率大說明洞室圍巖壓力較大且來壓快，圍巖自穩(wěn)能力及穩(wěn)定性差。通過位移監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)采用初期模筑混凝土襯砌施工對(duì)圍巖變形控制效果良好。

(3)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。圍巖變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在初期支護(hù)變形后仍然未停止變形，甚至有所發(fā)展，收斂特征不明顯。反映了圍巖強(qiáng)度較低，具有一定流變特征，隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)，圍巖變形因施工干擾明顯，如上臺(tái)階、仰拱施作對(duì)圍巖的擾動(dòng)，促使圍巖進(jìn)一步變形。

3.2 圍巖壓力測(cè)量與分析

由于該隧道穿越濕陷性黃土地層，圍巖穩(wěn)定性極差，弄清初期支護(hù)的實(shí)際承載力及分擔(dān)圍巖應(yīng)力的情況十分必要。針對(duì)ZK4+865.5斷面，將土壓力盒掏槽布設(shè)在圍巖最外側(cè)，對(duì)圍巖的受力情況進(jìn)行量測(cè)。通過記錄隧道開挖過程中圍巖的受力情況，對(duì)圍巖壓力做出初步分析，圍巖壓力曲線如圖。圍巖應(yīng)力最終值橫斷面分布圖3。

圖3 圍巖應(yīng)力最終值橫斷面分布圖(單位：KPa)

分析圖可得出如下結(jié)論：

(1)圍巖應(yīng)力隨施工的進(jìn)展而不斷變化，變化規(guī)律具有普遍性。由于本隧道采用臺(tái)階法施工，隧道整體上逐漸出現(xiàn)“卸荷”現(xiàn)象，一次襯砌模筑混凝土逐漸開始承載，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨施工進(jìn)展呈緩慢增大的趨勢(shì)。

(2)在圍巖開挖的前3 d，各測(cè)點(diǎn)圍巖壓力皆呈急劇增大的趨勢(shì)，最大出現(xiàn)左拱腳處，達(dá)145.62 kPa，主要是初期由于掌子面圍巖開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布圍巖壓力釋放造成的。

(3)在之后的十幾天，受超前支護(hù)、小導(dǎo)管、錨桿打設(shè)等加固圍巖作用的影響，左、右拱腳圍巖壓力變化較為明顯，呈先下降后上升的趨勢(shì)；從第20 d目標(biāo)斷面左、右邊墻完成開挖、模筑至第28天完成仰拱封閉，各測(cè)點(diǎn)壓力呈緩慢增大。二次襯砌模筑后，各測(cè)點(diǎn)壓力逐漸呈穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)從最終值應(yīng)力分布圖來看，各觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控圍巖壓力最后測(cè)量值各部位差異較大，且左右側(cè)差異也較大，最大壓應(yīng)力發(fā)生在左邊墻，達(dá)143.21 kPa，相反，在右邊墻呈拉應(yīng)力，達(dá)15.1 kPa。這一定程度上與圍巖壓力的分別及左右側(cè)開挖步驟順序相關(guān)。

圖4 一次襯砌混凝土應(yīng)力最終值 橫斷面分布圖(單位：kPa)

3.3 一次模筑混凝土襯砌應(yīng)力測(cè)量與分析

當(dāng)前一次襯砌常采用鋼拱架配合鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土，本隧道因特殊地層結(jié)構(gòu)采用一次襯砌模筑混凝土，而相關(guān)研究甚少，因此有必要對(duì)模筑混凝土的應(yīng)變進(jìn)行量測(cè)與系統(tǒng)分析。本研究針對(duì)ZK4+865.5斷面，在初期模筑混凝土襯砌鋼筋網(wǎng)中布設(shè)混凝土應(yīng)變計(jì)，對(duì)襯砌內(nèi)混凝土的受力情況進(jìn)行量測(cè)。

4 結(jié) 論

(1)監(jiān)控量測(cè)是隧道施工過程中不可缺少的組成成分，通過對(duì)監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析整理，可以實(shí)時(shí)掌握一次襯砌模筑混凝土后隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。

(2)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量、圍巖壓力具有不對(duì)稱性，一次襯砌混凝土應(yīng)力具有一定對(duì)稱性；測(cè)量值的變化反映出圍巖受力受隧道上、下臺(tái)階及仰拱的開挖影響較大；同時(shí)，打設(shè)超前支護(hù)、錨桿以及小導(dǎo)管注漿等加固措施對(duì)圍巖和支護(hù)受力也有一定的影響。

(3)通過長(zhǎng)期對(duì)一次襯砌采用模筑混凝土應(yīng)力變化的測(cè)量，得出其受開挖影響較大，尤其是拱頂和拱腰處混凝土應(yīng)力在二襯模筑之前一直穩(wěn)定增大，施工中應(yīng)給予重視。

(4)具有濕陷性的蘭州南繞城某高速公路黃土隧道采用一次模筑混凝土襯砌施工方法時(shí)，擬選監(jiān)測(cè)斷面隧道的圍巖條件并不會(huì)對(duì)整個(gè)隧道的施工、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等造成較大的影響，工程所采用的施工組織設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)是可行的。

[1] 石志龍, 徐超亞. 婆髻隧道施工監(jiān)控量測(cè)與穩(wěn)定分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2016，(6): 527-532.

[2] 李曉紅, 康勇, 顧義磊, 等. 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在通渝隧道出口段中的應(yīng)用[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2003，(9): 2-6.

[3] 周濟(jì)民. 水下盾構(gòu)法隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

MonitoringandComprehensiveAnalysisinLargeSectionsofCollapsibleLoessALiningLoncreteTunnel

LIU Zi-yang，Li De-wu

(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

Through the lanzhou city south tunnel of an expressway on-site monitoring measurement, the deformation and contact pressure of surrounding rock is analyzed and a model of concrete stress, the strain state of surrounding rock on the spot and the reliability of the supporting conditions have a more scientific understanding. Research results for the site construction of the tunnel provides necessary basis, at the same time can also be used for future similar geological conditions in tunnel design and construction for reference.

double modulus of concrete; collapsible loess; monitoring measurement

U458.1

A

1008-3383(2017)09-0149-03

2017-03-11