王家灣隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)與分析實(shí)例研究

吳 潔，雷 蕾，李海峰

(1.成都信息工程大學(xué) 物流學(xué)院 成都市 610103； 2.中鐵西南科學(xué)研究院 成都市 610031)

王家灣隧道位于陜西省延安市安塞縣王家灣鄉(xiāng)，施工過程中易發(fā)生塌方和圍護(hù)結(jié)構(gòu)大變形等，嚴(yán)重威脅施工人員的安全，開展隧道監(jiān)控量測(cè)工作十分必要[1]。與傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控量測(cè)相比，王家灣隧道采用非接觸監(jiān)控量測(cè)，利用電腦全站儀布置測(cè)點(diǎn)，結(jié)合隧道施工監(jiān)測(cè)信息化平臺(tái)系統(tǒng)分析處理，得出隧道拱頂?shù)淖兓椭車乃轿灰屏浚Y(jié)合預(yù)警基準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)情況，指導(dǎo)施工[2]，保障施工安全。在王家灣隧道的監(jiān)測(cè)工作，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 監(jiān)控量測(cè)目的

(1)確保施工安全

以變形量測(cè)(必測(cè)項(xiàng)目)的反饋?zhàn)顬橹苯?，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全征兆，采取相應(yīng)措施，確保施工安全，規(guī)避或減少損失。

(2)確保結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定

針對(duì)某些特殊隧道或段落，除施工過程中的嚴(yán)格要求外，增設(shè)長(zhǎng)期應(yīng)力量測(cè)(選測(cè)項(xiàng)目)項(xiàng)目，收集和掌握隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，及時(shí)采取措施。

(3)通過監(jiān)測(cè)反饋-指導(dǎo)施工-優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過監(jiān)控量測(cè)工作的具體認(rèn)真落實(shí)，及時(shí)反饋信息，結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行分析，進(jìn)而指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

(4)為信息化設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)

積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)下一步隧道信息化設(shè)計(jì)和施工[3]。

2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則

2.1 拱頂下沉和水平收斂測(cè)點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖要求，隧道采用三臺(tái)階法施工，其點(diǎn)位布設(shè)按圖1進(jìn)行布置[4]。

三臺(tái)階法圖1 拱頂下沉還和水平收斂測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)要求

(1)拱頂下沉和水平收斂測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上。

(2)初支應(yīng)與圍巖密貼，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在鋼架、格柵等初期支護(hù)上。

(3)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在初支支護(hù)后立即埋設(shè)，測(cè)點(diǎn)需在開挖后8h內(nèi)埋設(shè)完成，初始讀數(shù)應(yīng)在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)12h內(nèi)讀取。

(4)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在拱頂軸線附近，數(shù)值采用絕對(duì)高程，周期性復(fù)核后視點(diǎn)，保證其數(shù)據(jù)可靠性。

2.3 地表沉降測(cè)點(diǎn)

測(cè)點(diǎn)應(yīng)在隧道開挖前布設(shè)，橫向間距為2～5m，按圖2所示進(jìn)行布置，在隧道中線附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密，隧道中線兩側(cè)測(cè)量范圍應(yīng)不小于H0+B。

圖2 地表沉降橫向測(cè)點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測(cè)

拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測(cè)采用全站儀配合反射膜片進(jìn)行。

測(cè)點(diǎn)埋設(shè)：采用直徑不小于20mm的螺紋鋼，尾端(隧道洞內(nèi)方向)進(jìn)行45°斜切形成斜切面或者端部焊接鋼板，斜切面處或鋼板上面粘貼測(cè)量專用反射膜片(不小于1cm×1cm)。

標(biāo)識(shí)要求：測(cè)點(diǎn)布設(shè)以后，在測(cè)點(diǎn)位置用紅色油漆做醒目標(biāo)識(shí)，每個(gè)斷面左右側(cè)各布設(shè)1個(gè)標(biāo)示牌，及時(shí)記錄展示相關(guān)信息，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上嚴(yán)禁懸掛物品。

保護(hù)要求：測(cè)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行布設(shè)，并做好保護(hù)，防止破壞?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與施工必須緊密配合，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)提供監(jiān)測(cè)工作時(shí)間，保證監(jiān)測(cè)工作的正常進(jìn)行，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)計(jì)劃應(yīng)列入工程施工進(jìn)度控制計(jì)劃中。

破壞與松動(dòng)處理要求：如果測(cè)點(diǎn)被破壞，應(yīng)在被破壞測(cè)點(diǎn)附近補(bǔ)埋，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；如果測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)，則應(yīng)及時(shí)加固，重新讀取初讀數(shù)。

3.2 地表沉降監(jiān)測(cè)

地表沉降監(jiān)測(cè)可采用全站儀進(jìn)行，沉降測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)先在地表鉆孔，然后埋入沉降測(cè)點(diǎn)，外露1～2cm，四周用混凝土填實(shí)。測(cè)點(diǎn)一般采用直徑20～30mm，長(zhǎng)50～100cm半圓頭鋼筋制成。

4 實(shí)例

4.1 工程概況

王家灣隧道最大埋深約220m，最淺埋深約20m，進(jìn)口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全長(zhǎng)7288m。王家灣隧道開挖工法為三臺(tái)階開挖法，洞內(nèi)主要穿越粉質(zhì)黏土，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，圍巖主要為IV級(jí)和V級(jí)，初支采用格柵鋼架。

4.2 地質(zhì)情況

王家灣隧道地處中朝古地臺(tái)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。褶皺和斷裂不發(fā)育，地勢(shì)東高西低，總體上為一傾向西～西北的單斜構(gòu)造。隧址區(qū)廣布白堊系下統(tǒng)砂巖，斜層理極其發(fā)育。區(qū)域上無大的構(gòu)造活動(dòng)，無大型褶皺和斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。隧道沖溝底部有流水，水面高程約為1302m。地表水主要為大氣降水及基巖裂隙水滲出形成地表徑流，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、地表徑流及滲入為排泄條件，水量較少，受季節(jié)性降水影響大，雨季水量大且集中，非雨季無水或水量較少。

王家灣隧道2號(hào)斜井正洞DK271+340～840段隧道長(zhǎng)500m，隧道洞身地層砂巖，全風(fēng)化，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)：強(qiáng)風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層至巨厚層狀交錯(cuò)層理結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)?？睖y(cè)期間存在基巖裂隙水，埋深為14.7m，水位高程1302.67m，水位變幅2.0～5.0m，水面埋深位于開挖面以上，局部斜層理破碎地段可能會(huì)賦存較多地下水，主要受地下水徑流補(bǔ)給，水量較大，隧道圍巖等級(jí)V級(jí)。

4.3 預(yù)警情況

監(jiān)控量測(cè)小組進(jìn)行圍巖量測(cè)，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)2016年10月6日10:32 DK271+590處水平收斂變化較大，在重新復(fù)測(cè)確認(rèn)后，上傳數(shù)據(jù)。預(yù)警信息如下：

(1)DK271+590黃色預(yù)警，日收斂值1.68mm。

(2)DK271+590黃色預(yù)警，累計(jì)收斂值46.51mm。

4.4 預(yù)警處理

(1)處理機(jī)制

2016年10月6日，蒙陜指揮部在11:48收到王家灣隧道2號(hào)斜井正洞大里程方向DK271+590黃色預(yù)警，工區(qū)立即組織工程技術(shù)部、質(zhì)量安全部到現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)同鐵四院(湖北)工程監(jiān)理項(xiàng)目部、中鐵十八局集團(tuán)MHTJ-5標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部到王家灣隧道2號(hào)斜井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)察看，對(duì)黃色預(yù)警情況和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理措施進(jìn)行研究討論。

圖3 DK271+590斷面預(yù)警處理情況圖

(2)原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)查看和數(shù)據(jù)對(duì)照得出原因主要為該段位于強(qiáng)風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層至巨厚層狀交錯(cuò)層理結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部斜層理破碎地段可能會(huì)賦存較多地下水，主要受地下水徑流補(bǔ)給，水量較大；隧道埋深約11.4m，地層砂巖，全風(fēng)化，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)；該段落格柵鋼架尚未封閉成環(huán)。

(3)預(yù)警處理

針對(duì)上述情況經(jīng)由業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工單位研究并制定處理措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處理提出按照“勤量測(cè)、早封閉、快支護(hù)”的原則，對(duì)開裂段落進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，確保施工和結(jié)構(gòu)安全的要求。同時(shí)，要求監(jiān)控量測(cè)組對(duì)加固圈拱頂沉降、周邊收斂變形加密測(cè)量，并同步開展王家灣隧道相關(guān)里程段相應(yīng)部位應(yīng)力測(cè)試及分析工作。

4.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圍巖變形情況：斷面DK271+590仰拱封閉前拱頂、周邊收斂累計(jì)變形量分別為72.5mm、20.26mm、52.73mm，如圖4～圖6，拱頂累計(jì)值約41d后趨于穩(wěn)定，左洞典型斷面周邊收斂累計(jì)值27d后趨于穩(wěn)定，右側(cè)洞典型斷面周邊收斂累計(jì)值41d后趨于穩(wěn)定；累計(jì)值-時(shí)間曲線總體呈“廠型”，即變形監(jiān)測(cè)曲線的變化大致分為三個(gè)階段：快速上升階段，緩慢上升階段，平穩(wěn)階段。

圖4 DK271+590斷面拱頂變形累計(jì)值

圖5 DK271+590左側(cè)洞斷面收斂一變形累計(jì)值

圖6 DK271+590右側(cè)洞斷面收斂變形累計(jì)值

從圖中所示數(shù)據(jù)情況可以看出：拱頂變形在仰拱初支封閉后，變形得到有效抑制，但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%，說明加固圈的支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗當(dāng)前圍巖的應(yīng)力，使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應(yīng)力，允許圍巖有一定變形；拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%，并且拱頂位置圍巖應(yīng)力大于拱腰位置圍巖應(yīng)力，說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài)，可以優(yōu)化隧道截面曲率，使隧道結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化。

5 結(jié)語

施工過程中通過及時(shí)的監(jiān)測(cè)信息反饋指導(dǎo)施工，確保了結(jié)構(gòu)自身的安全穩(wěn)定，從而有效地將施工控制在安全范圍之內(nèi)。根據(jù)王家灣隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下幾點(diǎn)變形規(guī)律：

(1)下部開挖過程中會(huì)出現(xiàn)較明顯的沉降或收斂。

(2)工序之間的銜接不及時(shí)也會(huì)造成較明顯的沉降或收斂。

(3)在開挖仰拱完成初支成環(huán)后2～3d內(nèi)，沉降與收斂會(huì)得到逐步控制，變化量基本穩(wěn)定。

(4)拱頂變形在仰拱初支封閉后，變形得到有效抑制，但是周邊收斂在加固圈形成后變形量還占總變形量的85%，說明加固圈的支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗當(dāng)前圍巖的應(yīng)力，使用格柵鋼架初支能保證釋放圍巖的應(yīng)力，允許圍巖有一定變形；拱頂在加固圈形成后變形量還占總變形量的72.5%，并且拱頂位置圍巖應(yīng)力大于拱腰位置圍巖應(yīng)力，說明目前隧道斷面受力不是最優(yōu)狀態(tài)，可以優(yōu)化隧道截面曲率，使隧道結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化。

(5)隧道圍巖開挖過程中，變形監(jiān)測(cè)曲線的變化大致分為三個(gè)階段：快速上升階段，緩慢上升階段，平穩(wěn)階段。左側(cè)洞開挖過程會(huì)對(duì)右側(cè)洞產(chǎn)生影響，右側(cè)洞典型斷面收斂值趨于穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)于左側(cè)洞。