黃土坡隧道下伏采空區(qū)段施工與變形穩(wěn)定性分析

姚 少 杰

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

0 引言

隧道下伏采空區(qū)會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成一定影響，尤其是埋深比較淺的采空區(qū)很容易造成隧道整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形失穩(wěn)。施工前，對(duì)隧道施工范圍內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行有效治理，可有效提高隧道基礎(chǔ)承載力，避免或減少結(jié)構(gòu)變形。省道汾屯線黃土坡隧道下伏采空區(qū)，埋深較淺，且隧道圍巖自穩(wěn)能力較差。隧道開(kāi)挖施工前制定方案對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理，在隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)，分析隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，作為評(píng)價(jià)隧道變形穩(wěn)定性的主要依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

省道汾屯線黃土坡隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 160 m，起訖點(diǎn)里程為K91+430～K92+590。該隧道采用二級(jí)公路設(shè)計(jì)，為單洞雙車道雙向混合交通，洞內(nèi)路面寬度為11 m，設(shè)計(jì)縱坡-1.5%，設(shè)計(jì)車速60 km/h。洞口淺埋段最小埋深為1.5 m，圍巖自穩(wěn)能力差，屬較軟巖，巖體破碎，鉆探巖芯呈碎塊狀，無(wú)地下水，按照勘察結(jié)果確定隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋼拱架(20a工字鋼，縱向間距80 cm)+錨桿(3.5 m中空注漿錨桿+砂漿鎖腳錨桿)+鋼筋網(wǎng)(φ8盤(pán)條，200 mm×200 mm)+C25噴射混凝土支護(hù)。隧道K91+635～K91+661段下伏采空區(qū)，采空區(qū)走向與隧道走向夾角接近60°，寬度為1.5 m～3.4 m，高度約2.4 m，與隧道底部?jī)艟嗉s為8.5 m。采空區(qū)附近圍巖穩(wěn)定性較差，較易發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 下伏采空區(qū)處治方案

為了良好控制隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的變形，首先對(duì)隧道下伏采空區(qū)進(jìn)行處治，以保證施工安全。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，隧道底部下伏采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)局部碎落，存在較大變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合勘查結(jié)果，通過(guò)數(shù)值計(jì)算后制定注漿加固方案。處治范圍為隧道底部和隧道兩側(cè)20 m，處治方法采用全充填壓力注漿法。在隧道中心線及中心線兩側(cè)分別布置3排注漿孔，注漿孔采用梅花形布置，最外側(cè)帷幕注漿孔間距為25 m，其他注漿孔間距為30 m。注漿順序是先進(jìn)行帷幕孔注漿，再進(jìn)行其他注漿孔注漿，施工順序?yàn)橄戎苓吅笾行?，由低到高。注漿漿液濃度先稀后稠，稀漿量約占單孔總注漿量的30%。注漿水固比控制在1∶1～1∶1.5，水泥∶粉煤灰=20∶80，漿液凝固后強(qiáng)度不低于3 MPa，隧道底部漿液凝固后強(qiáng)度不低于5 MPa。帷幕注漿應(yīng)選用較稠的漿液。注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制水灰比和注漿壓力，如發(fā)現(xiàn)圍巖裂隙大量冒漿，應(yīng)暫停注漿，待漿液凝固后再進(jìn)行注漿。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 MPa～1.5 MPa，穩(wěn)定時(shí)間10 min～15 min，即可停止注漿。

3 下伏采空區(qū)段隧道圍巖變形穩(wěn)定性分析

為了準(zhǔn)確確定下伏采空區(qū)段隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，在施工過(guò)程中制定監(jiān)控量測(cè)方案，分別對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目和部分選測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行量測(cè)。文章選取拱頂下沉、周邊位移、圍巖底鼓變形、圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等項(xiàng)目的量測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，作為確定隧道變形穩(wěn)定性的主要依據(jù)。采空區(qū)路段監(jiān)測(cè)間距為5 m，在K91+635～K91+661段布置測(cè)點(diǎn)開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)。選取K91+650監(jiān)測(cè)斷面作為研究對(duì)象，對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

3.1 拱頂下沉量測(cè)結(jié)果分析

在K91+650監(jiān)測(cè)斷面拱頂位置埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺對(duì)隧道拱頂下沉情況進(jìn)行量測(cè)，繪制拱頂下沉曲線如圖2所示。

分析圖2監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉變化曲線，隧道開(kāi)挖后一周內(nèi)，該斷面圍巖變形量和變形速率較大，前3天變形速率接近2 mm/d，變形量較大。一周后拱頂下沉變形趨緩，15 d后基本趨于平穩(wěn)，1個(gè)月后基本變形平穩(wěn)，日平均變形速率不超過(guò)0.5 mm/d，累計(jì)變形量為25 mm。隧道拱頂下沉在開(kāi)挖支護(hù)后一個(gè)月進(jìn)入穩(wěn)定階段，量測(cè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形量或變形速率突然增大的趨勢(shì)。

3.2 周邊位移量測(cè)結(jié)果分析

分別在隧道拱部、邊墻位置布置測(cè)點(diǎn)，使用數(shù)據(jù)收斂?jī)x進(jìn)行量測(cè)，統(tǒng)計(jì)量測(cè)結(jié)果繪制周邊位移變化曲線如圖3所示。

分析圖3監(jiān)測(cè)斷面周邊位移變化曲線，完工后一周內(nèi)周邊位移變形量較大，接近2 mm/d。一周后周邊位移變形逐步降低，日平均變形速率不超過(guò)1 mm。開(kāi)挖一個(gè)月后變形基本穩(wěn)定，該監(jiān)測(cè)斷面周邊位移總變形量為20 mm。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)斷面周邊位移變形已基本穩(wěn)定，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 圍巖底鼓變形量測(cè)結(jié)果分析

在隧道底部布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)底鼓變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制底鼓變化曲線如圖4所示。

分析圖4 K91+650監(jiān)測(cè)斷面底鼓變化曲線，完工后一周內(nèi)變形較大，最大變形速率達(dá)到2 mm/d。一周以后底鼓變形速率明顯下降，20 d以后變形基本趨于平穩(wěn)。隧道底鼓變形主要分布在采空區(qū)區(qū)域，累積底鼓變形量為20 mm，變形量較小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。結(jié)合其他斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大多數(shù)監(jiān)測(cè)斷面底鼓變形主要出現(xiàn)在開(kāi)挖后一周內(nèi)，個(gè)別監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖3 d后基本沒(méi)有產(chǎn)生底鼓變形。說(shuō)明采空區(qū)處理后有效提高了隧道底部圍巖的穩(wěn)定性，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有效控制了圍巖變形。

3.4 圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測(cè)結(jié)果分析

分別在隧道拱頂、左右拱肩和左右起拱線位置布置測(cè)點(diǎn)，布置壓力盒和錨桿拉力計(jì)，對(duì)隧道圍巖應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，收集拱頂和拱肩數(shù)據(jù)繪制K91+650監(jiān)測(cè)斷面錨桿拉力變化曲線如圖5所示。

分析圖5所示K91+650監(jiān)測(cè)斷面錨桿拉力變化曲線，隧道左拱肩錨桿拉力最大值為12 kN，右拱肩錨桿最大拉力為13.2 kN，拱頂錨桿最大拉力為10.1 kN。錨桿所承受的拉力早期增加速度較快，各測(cè)點(diǎn)埋設(shè)2 d錨桿所承受的拉力開(kāi)始變大，前9天錨桿所承受的拉力增加速度較快，平均變化速率約為1.2 kN/d。從第10天以后錨桿壓力增速開(kāi)始變緩，平均變化速率為0.2 kN/d。監(jiān)測(cè)25 d錨桿拉力變化基本趨于穩(wěn)定，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隧道圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變形，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)剪切破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合下伏采空區(qū)隧道采空區(qū)處治與監(jiān)控量測(cè)實(shí)踐，分析隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)隧道拱頂下沉和周邊位移量測(cè)均在開(kāi)挖后一周內(nèi)變形量較大，一周以后變形逐步趨緩，一個(gè)月以后處于穩(wěn)定狀態(tài)，且總變形量較小，未發(fā)現(xiàn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形破壞；

2)分析監(jiān)測(cè)斷面底鼓變化曲線，得出一周內(nèi)變形相對(duì)較大，后期逐步趨緩，20 d以后變形基本趨于穩(wěn)定，隧道累積底鼓變形量較小對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小，其他監(jiān)測(cè)斷面底鼓變形均較小，個(gè)別斷面甚至沒(méi)有出現(xiàn)底鼓變形；

3)分析監(jiān)測(cè)斷面錨桿拉力監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧道右拱肩錨桿軸力最大，為13.2 kN，且呈現(xiàn)開(kāi)挖后早期錨桿拉力增速快，10 d后逐步變緩，監(jiān)測(cè)25 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隧道圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變形、剪切破壞或應(yīng)力集中現(xiàn)象。

總之，采空區(qū)處治后，有效提高了該區(qū)域隧道圍巖的穩(wěn)定度，有效提高了隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，隧道變形穩(wěn)定性良好。