麗香線黃山哨隧道進(jìn)口段圍巖變形特征研究

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(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610000)

巖堆體[1]是巖質(zhì)山體經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化(或化學(xué)風(fēng)化)、構(gòu)造變動(dòng)等綜合作用形成的巖石碎塊的堆積體，其主要成分為由土、石以及土石的碎屑混合物。構(gòu)成巖堆體材料的力學(xué)特性空間變異性比較大，有很強(qiáng)的非均質(zhì)性且?guī)r堆體的結(jié)構(gòu)較松散，孔隙率一般較大，透水性較強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，巖堆體結(jié)構(gòu)松散且在天然狀態(tài)下多變現(xiàn)出極限平衡的狀態(tài)。因此在施工擾動(dòng)情況下，巖堆體很容易發(fā)生局部失穩(wěn)甚至引起滑坡。 巖堆體的研究也引起了國(guó)內(nèi)外的學(xué)者的關(guān)注，并取得了一些研究成果。Sridharan.A[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試出了采石場(chǎng)廢渣、粉塵及天然土混合體的抗剪強(qiáng)度。宋繼宏、胡明鑒、付克儉[3]等人研究了巖堆體在含水量相同、密實(shí)度不同的情況下，巖堆體的抗剪強(qiáng)度特性。譚儒蛟、胡瑞林、劉衡秋[4]等人在虎跳峽工程區(qū)設(shè)計(jì)了原位直剪試驗(yàn)和野外大面積試驗(yàn)，最后得到了松散巖堆體的抗剪強(qiáng)度特性并取得了可供參考的c、φ值。而測(cè)斜監(jiān)測(cè)常常是研究坡體位移變化的有效手段。陳開(kāi)圣、彭小平[5]以王家山滑坡為依托，總結(jié)了滑坡深部位移的各特征類(lèi)型，根據(jù)不同的位移特征曲線確定了滑動(dòng)面的位置及滑動(dòng)面的變形發(fā)展過(guò)程。付敏、鄧清祿、張申[6]等人結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際觀察的滑坡滑動(dòng)方向及滑帶深度，肯定了測(cè)斜監(jiān)測(cè)能夠比較準(zhǔn)確地分析出滑坡滑帶深度和滑動(dòng)方向。王義鋒[7]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜數(shù)據(jù)，深入分析了監(jiān)測(cè)圖像中出現(xiàn)突變的情況，提出變形曲線與蠕滑變形體形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可見(jiàn)，不管是在理論上還是在實(shí)踐中，巖堆體的研究都取得了一些成果。但是由于巖堆體的特性還與其本身的組成成分、含水率、密實(shí)度等因素有關(guān)且?guī)r堆體組成物質(zhì)粒徑大小差異懸殊，得出的成果具有相對(duì)的獨(dú)立性，只有通過(guò)綜合的試驗(yàn)方法分析，針對(duì)具體問(wèn)題具體分析，才能準(zhǔn)確、合理地判斷巖堆體隧道圍巖的變形特征。

1 麗香線黃山哨隧道概況

黃山哨隧道位于麗江站～拉市海站區(qū)間，進(jìn)口里程為DK8+310，出口里程為DK12+344，全長(zhǎng)4 034m，隧道最大埋深約450m。其中DK8+530～DK8+600段隧道洞身穿越<1-3>下更新統(tǒng)蛇山組(Q1s)碎塊土，埋深為30～50m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，采用Ⅴ級(jí)B型復(fù)合式襯砌。全環(huán)采用I18型工字鋼加強(qiáng)支護(hù)，拱部設(shè)φ42mm超前小導(dǎo)管，采用臺(tái)階法施工。2016年11月9日，隧道洞內(nèi)DK8+540～DK8+590段施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)初期支護(hù)局部開(kāi)裂，左側(cè)邊墻處最大侵限約20cm，右側(cè)邊墻處最大侵限約為10cm。線路左側(cè)地表巖堆體后緣與灰?guī)r接觸面產(chǎn)生了縱向裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為80m，裂縫最寬處約為18cm，最小處約為3cm。

2 監(jiān)測(cè)方案

為了探究麗香線黃山哨隧道進(jìn)口段圍巖變形特征，在隧道開(kāi)挖的方向設(shè)置了三個(gè)斷面，分別為DK8+560、DK8+580、DK8+600，在研究斷面表面相應(yīng)位置埋置測(cè)斜管，用于監(jiān)測(cè)巖堆體深部位移情況。平面布置圖如圖1所示。在斷面典型部位埋設(shè)壓力盒(圖2)，監(jiān)測(cè)圍巖壓力。具體監(jiān)測(cè)設(shè)備、時(shí)間如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備及時(shí)間

圖1 測(cè)斜管平面布置

圖2 圍巖壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3 圍巖變形特征及滑動(dòng)面確定

限于文章篇幅，本文采用斷面Ⅱ(DK8+580)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)討論圍巖變形特征及隧道圍巖滑動(dòng)面的位置。

(1)從測(cè)斜管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表2)及卡孔偏移量(圖3、圖4)可以看到，2016年11月15日，斷面Ⅱ的3#孔在40m處卡孔，4#孔在45m處卡孔，而在2016年12月1日，3#又在32.5m處卡孔，4#孔在40m處卡孔。從測(cè)斜管卡孔的位置來(lái)看，3#卡孔的高程分別為2 450.72m和2 443.22，4#孔的高程分別為2 440.55m和2 435.2m，而隧道軌面的高程為2 437.8m，且隧道中心線與測(cè)斜管的水平距離只有15m左右，也就是說(shuō)隧道的空間位置剛好分布在兩根測(cè)斜管卡孔位置之間。從觀測(cè)時(shí)間來(lái)看，從2016年10月1日到2016年11月22日，測(cè)斜管彎曲變形逐漸增大到最后發(fā)生彎折，而這一段時(shí)間發(fā)生過(guò)幾次強(qiáng)降雨。從勘測(cè)資料中可以看到，測(cè)斜孔卡孔的位置接近巖堆體與基巖的分界面。綜合以上分析可以推斷：巖堆體的潛在滑動(dòng)面極有可能分布在巖層分界面上且不止一條。巖堆體在隧道開(kāi)挖爆破以及暴雨的影響下，其潛在滑動(dòng)面有逐漸貫通的趨勢(shì)。

圖3 3#孔卡孔偏移量

圖4 3#孔卡孔偏移量

(2)從洞內(nèi)圍巖監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)(表3)及圍巖壓力變化圖(圖5、圖6)可以看到：隧道左側(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值明顯大隧道右側(cè)，且左拱45 °、左拱90 °、左邊墻角三個(gè)部位表現(xiàn)尤為明顯。分析其原因可能是：從地勘資料中看到斷面Ⅱ洞身的仰拱部分穿過(guò)了基巖，而仰拱以上部分都穿過(guò)了巖堆體，也就是說(shuō)斷面Ⅱ的洞身部分穿越了巖層的分界線。由于巖堆體與基巖很多物理力學(xué)參數(shù)都不一樣，所以此處很容易形成軟弱的結(jié)構(gòu)面或滑動(dòng)面。洞身在開(kāi)挖爆破或者巖堆體位移變化的影響下，很容易在隧道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引起隧道偏壓。所以會(huì)出現(xiàn)斷面Ⅱ的這種受力特征。

表2 卡孔處的偏移量觀測(cè)值 mm

表3 圍巖壓力觀測(cè)值 MPa

圖5 圍巖壓力變化

圖6 圍巖最大壓力分布

(3)從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的時(shí)間來(lái)看，在2016年10月3日到2016年11月15日期間，麗江持續(xù)強(qiáng)降雨，圍巖壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化也較為明顯。因此可以推測(cè)，持續(xù)的強(qiáng)降雨對(duì)隧道圍巖的受力有直接的影響。分析其原因可能是持續(xù)的強(qiáng)降雨不斷地沖刷巖堆體，雨水順著巖堆體的裂隙進(jìn)入巖堆體的內(nèi)部，最后增大了巖堆體的下滑力。當(dāng)巖堆體下滑力大于巖土體自身的抗滑力時(shí)，巖堆體就會(huì)沿著滑面向下滑動(dòng)。巖堆體產(chǎn)生位移后，就會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，此時(shí)隧道洞身的圍巖就會(huì)表現(xiàn)出受力較大的現(xiàn)象。

(4)結(jié)合測(cè)斜管卡孔的空間位置、巖堆體后緣裂縫的位置、洞內(nèi)圍巖壓力受力特征以及該斷面的地勘資料，將巖堆體后緣裂縫與測(cè)斜管卡孔的位置以及隧道洞身受力比較明顯的部位連接起來(lái)，大致確定研究斷面巖堆體的滑動(dòng)面(圖7)。從圖中可以看到：圍巖可能存在兩條潛在滑動(dòng)面， 其中一條分布在巖層分界面上，另一條在分界面以上7m處。

圖7 研究斷面巖堆體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)論

(1)通過(guò)在隧道洞內(nèi)埋設(shè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)件，能夠有效地監(jiān)測(cè)到圍巖的應(yīng)力應(yīng)變的變化特征。

(2)通過(guò)在隧道上覆圍巖地表布設(shè)測(cè)斜監(jiān)測(cè)孔，能夠監(jiān)測(cè)到圍巖深部位移變化，確定圍巖的滑動(dòng)面位置。

(3)綜合采用圍巖壓力監(jiān)測(cè)和圍巖深部測(cè)斜監(jiān)測(cè)手段，能夠有效監(jiān)測(cè)隧道洞身的圍巖變形和隧道上覆圍巖的變形特征。