穿越斷層破碎帶公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測與分析

陶建軍　 陳 浩 　孫振華,　 陳 航 　袁霈龍

(1.紹興交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 紹興　312000；　2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安　710064；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司杭州公司，浙江 杭州　310030；　4.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安　710065)

斷層破碎帶是隧道施工過程中最為常見的不良地質(zhì)情況，同時斷層破碎帶也是隧道圍巖最不穩(wěn)定的區(qū)域之一[1-3]。斷層破碎帶在隧道開挖過程中存在圍巖強(qiáng)度低、圍巖變形大、透水性強(qiáng)與圍巖受力復(fù)雜等特性，這些往往都是造成隧道圍巖失穩(wěn)變形的關(guān)鍵因素。因此，對斷層破碎帶中隧道圍巖的受力與變形進(jìn)行研究就顯得極為重要。目前國內(nèi)外對斷層破碎帶隧道施工進(jìn)行了大量的研究，在斷層破碎帶中隧道的施工技術(shù)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[4-10]。其中，采用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)研究隧道圍巖在斷層破碎帶中的受力變形是最為直觀可靠的研究手段。

本文以新建杭紹臺高速公路高湖頭隧道為依托，選取典型斷面埋設(shè)監(jiān)測元件對隧道穿越斷層破碎帶時圍巖變形與支護(hù)受力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，分析研究隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在斷層破碎帶中的受力與變形特征，評價支護(hù)效果，并將監(jiān)測結(jié)果反饋到隧道施工過程中。

1　依托工程概況

杭紹臺高速公路高湖頭隧道位于浙江省紹興市嵊州盆地北緣，是一條左右分離的雙向四車道特長隧道，左洞長4 095 m，右洞長4 110 m，隧道最大埋深約448 m。隧道進(jìn)出口段圍巖主要為白堊系下統(tǒng)朝川組的凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，洞身段圍巖主要為白堊系下統(tǒng)西山頭組的晶屑凝灰?guī)r。

隧道受麗水—余姚深斷裂的作用，隧址區(qū)內(nèi)斷層和節(jié)理發(fā)育，揭露有7條斷層，都與路線大角度斜交。斷層帶內(nèi)巖石受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，呈碎石土狀～碎裂狀不等，巖石硅化，構(gòu)造角礫巖化，巖石完整性差。溝谷及構(gòu)造發(fā)育處及附近節(jié)理裂隙貫通性較好，滲透性較大，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水較為豐富。

隧道采用新奧法開挖，初期支護(hù)采用25 cm厚的C25噴射混凝土與3.5 m長的φ25先錨后灌式注漿錨桿，并輔以A6鋼筋網(wǎng)與18號工字鋼；二次襯砌采用45 cm厚C30模筑混凝土。

2　現(xiàn)場監(jiān)控量測

選取隧道右洞YK62+110為監(jiān)測量測的斷面，根據(jù)地勘資料可知，該斷面為隧道穿越F9斷層破碎帶的一個典型斷面。

2.1　監(jiān)測項目

此次隧道穿越斷層破碎帶施工監(jiān)控量測項目有拱頂沉降、周邊收斂、圍巖壓力、圍巖與二襯之間的接觸應(yīng)力與初支混凝土應(yīng)力5項，系統(tǒng)開展的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力具體如表1所示。

表1　高湖頭隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測項目及頻率

2.2　測點(diǎn)布置

2.2.1拱頂沉降與周邊收斂測點(diǎn)布置

根據(jù)《高湖頭隧道監(jiān)控量測方案》，拱頂沉降與周邊收斂點(diǎn)具體埋設(shè)如圖1所示，其中1號點(diǎn)埋設(shè)在拱頂，用于測試拱頂沉降；2號、3號點(diǎn)埋設(shè)于同一水平線上。

2.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測點(diǎn)布置

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示，分別在隧道拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳與拱底布設(shè)8個點(diǎn)，圖3為現(xiàn)場埋設(shè)測量元件圖。

3　監(jiān)測結(jié)果分析

3.1　圍巖位移

圖4為拱頂沉降與周邊收斂位移圖，從圖4中可以看出：

隧道拱頂沉降可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段；周邊收斂可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段。上臺階開挖后，隧道洞內(nèi)凈空位移迅速發(fā)展，拱頂沉降的增長速率要高于周邊收斂；拱頂沉降與周邊收斂分別在第10天與第8天進(jìn)入了緩慢增長的階段；當(dāng)隧道左下臺階開挖時，拱頂沉降又急劇增大，而周邊收斂速率基本不變，說明左下臺階開挖對隧道拱頂沉降有較大的影響，對周邊收斂幾乎無影響；隧道右下臺階開挖與仰拱回填對隧道凈空位移的影響不大；此后隧道凈空位移基本進(jìn)入了穩(wěn)定階段，增長速率基本為0，隧道圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該斷面最終的拱頂沉降為18.2 mm，周邊收斂為11 mm。

隧道拱頂沉降在急劇增長階段已完成了最終位移的68.69%，周邊收斂在急劇增長階段已完成了最終位移的81.82%。而隧道在仰拱回填后的凈空位移已完成了最終位移的95.6%與99.1%。由此可知隧道開挖后應(yīng)盡快完成初支支護(hù)，以控制圍巖早期變形發(fā)展過快。

3.2　圍巖壓力

圖5，圖6為圍巖壓力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖5，圖6中可以發(fā)現(xiàn)，圍巖壓力隨時間大致可以分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段。隧道拱頂圍巖壓力最大，達(dá)到304 kPa，斷層破碎帶中拱頂圍巖巖性較差，在洞頂處產(chǎn)生較大的豎向位移，并給拱頂初支帶來了較為明顯的圍巖壓力；右拱肩處圍巖壓力要大于左拱肩，具有明顯的偏壓現(xiàn)象，這是因?yàn)閿鄬悠扑閹c隧道斜交，左右側(cè)圍巖巖性有較大區(qū)別；其他部位圍巖壓力較小。

3.3　初支與二襯接觸應(yīng)力

圖7,圖8為接觸應(yīng)力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖7，圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隧道初支與二襯的接觸應(yīng)力一般都分為急劇變化階段—緩慢變化階段—穩(wěn)定階段。隧道各個部位接觸應(yīng)力都在第15天～第16天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。接觸應(yīng)力在空間分布呈現(xiàn)三角形，拱頂與左右拱腳接觸應(yīng)力較大，這是因?yàn)樗淼拦澳_處二次襯砌混凝土相對拱部來說澆筑的較為密實(shí)，且隧道在拱腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以呈現(xiàn)出拱部小拱腳大的分布。隧道拱部處二襯承擔(dān)的圍巖壓力比例較小，這些部位的二襯受力較為理想，可以作為安全儲備來考慮；隧道拱腰以下二襯承擔(dān)圍巖壓力約在20%～50%，這跟二襯混凝土施工方式與隧道拱腳處應(yīng)力集中有一定的關(guān)系。

3.4　初支混凝土應(yīng)力

圖9，圖10為初支混凝土應(yīng)力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖9，圖10中可以發(fā)現(xiàn)，初支混凝土應(yīng)力隨時間變化一般具有4個階段，首先是噴射混凝土剛施工時應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度增大而急劇增長的階段，在該階段噴射混凝土強(qiáng)度與剛度迅速增大，開始大量承擔(dān)圍巖荷載，說明了初期支護(hù)噴射混凝土在隧道開挖后能夠及時提供支持作用；其次是緩慢增長的階段；再次是二襯施工后跳躍式的增長，這是因?yàn)槎r施工對初期混凝土有擾動；最后是二襯混凝土開始分擔(dān)圍巖荷載，初支混凝土應(yīng)力緩慢回落直至穩(wěn)定的階段。

隧道各部位初支混凝土應(yīng)力最終值都處于受壓狀態(tài)，且都沒有超過C25混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，處于較為安全合理的受力狀態(tài)。最大混凝土應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，為9.92 MPa。該斷面初支混凝土應(yīng)力空間分布與圍巖壓力空間分布較為接近，說明了各部位的噴射混凝土與圍巖緊密相貼，都發(fā)揮了各自的強(qiáng)度來承擔(dān)荷載。

4　結(jié)語

1)隧道的拱頂沉降可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段；周邊收斂可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段。隧道在斷層破碎帶中施工時，由于斷層破碎帶中巖性較差，隧道上臺階開挖后，隧道斷面凈空位移進(jìn)入急劇增長階段，在該階段產(chǎn)生的位移占了總位移的69%左右，所以在隧道開挖后要及時進(jìn)行支護(hù)，穩(wěn)定圍巖，并應(yīng)及早施工仰拱，使支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。

2)圍巖壓力隨時間大致可以分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩(wěn)定階段；最大圍巖壓力出現(xiàn)在隧道拱頂處；由于隧道與斷層破碎帶斜交，在斷層破碎帶與巖性交界處隧道圍巖壓力都出現(xiàn)偏壓的現(xiàn)象，右側(cè)圍巖壓力大于左側(cè)，說明右側(cè)圍巖更為破碎軟弱。

3)隧道初支與二襯的接觸應(yīng)力隨時間大致分為急劇變化階段—緩慢變化階段—穩(wěn)定階段。接觸應(yīng)力在空間分布呈現(xiàn)三角形，拱頂與左右拱腳接觸應(yīng)力較大，這是因?yàn)樗淼拦澳_處二次襯砌混凝土相對拱部來說澆筑的較為密實(shí)，且隧道在拱腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于隧道與斷層破碎帶斜交，隧道右側(cè)接觸應(yīng)力要大于左側(cè)，呈現(xiàn)出一定的偏壓現(xiàn)象，其接觸應(yīng)力分布特征與圍巖壓力相類似。隧道拱部處二襯承擔(dān)的圍巖壓力比例較小，這些部位的二襯受力較為理想，可以作為安全儲備來考慮。

4)初支混凝土應(yīng)力隨時間變化一般具有4個階段，即急劇增長階段—緩慢增長階段—二襯施工突變階段—緩慢回落直至穩(wěn)定階段。隧道各部位初支混凝土應(yīng)力最終值都處于受壓狀態(tài)，且都沒有超過C25混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，處于較為安全合理的受力狀態(tài)。初支混凝土應(yīng)力空間分布與圍巖壓力空間分布較為接近，說明了各部位的噴射混凝土與圍巖緊密相貼，都發(fā)揮了各自的強(qiáng)度來承擔(dān)荷載。

5)從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隧道支護(hù)在斷層破碎帶中的變形與受力處于一個相對安全的狀態(tài)，說明斷層破碎帶中隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已經(jīng)足夠，但在隧道上臺階開挖后必須立即緊跟支護(hù)，及時封閉圍巖，尤其是對隧道拱頂部位，一定要加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)與監(jiān)測頻率，以防拱頂處圍巖出現(xiàn)較大的變形而出現(xiàn)施工災(zāi)害。