小凈距鐵路隧道施工監(jiān)測(cè)與分析

蘇彥軍 SU Yan-jun

（蘭州博文科技學(xué)院，蘭州 730101）

0 引言

小凈距隧道夾巖厚度介于分離式隧道與連拱隧道之間，是在地質(zhì)復(fù)雜及路線線型受限路段常采用的結(jié)構(gòu)形式之一，其雙洞間最小凈距Ⅰ類圍巖為1倍的洞寬，Ⅱ類圍巖為1.5倍的洞寬，Ⅲ類圍巖為2倍的洞寬，Ⅳ類圍巖為2.5倍的洞寬，Ⅴ類圍巖為3.5倍的洞寬，Ⅵ類圍巖為4倍的洞寬。也正由于地質(zhì)的復(fù)雜性及左右線隧道施工期間的相互干擾，決定了小凈距隧道在施工期間存在變形超限甚至塌方等諸多的不安全因素，因此，施工監(jiān)測(cè)就成為了施工中一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。

圍繞著小凈距隧道的施工監(jiān)測(cè)，眾多學(xué)者也做了大量研究。李曉軍等以重慶海天堡隧道為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)淺埋大斷面小凈距隧道圍巖壓力與復(fù)合式襯砌內(nèi)力的施工響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。秦偉宏等通過對(duì)小凈距隧道施工過程的模擬，得出了不同開挖進(jìn)尺下的后行洞LDP曲線及拱腰收斂的變化規(guī)律。李鵬飛結(jié)合監(jiān)控量測(cè)和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，分析了隧道圍巖和初期支護(hù)穩(wěn)定性變化規(guī)律，并及時(shí)有效反饋至設(shè)計(jì)與施工。但隧道施工中圍巖壓力和變形變化規(guī)律與隧道所處地質(zhì)情況、施工方法等多種因素相關(guān)，本文以甘肅省隴南市某小凈距隧道施工監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與數(shù)據(jù)回歸分析，尋求該地區(qū)小凈距隧道三臺(tái)階法施工時(shí)，拱頂下沉和凈空收斂的變化規(guī)律，用以優(yōu)化施工方案并為同類型隧道施工提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位置處于甘肅省隴南市，隧道長(zhǎng)9100m，最大埋深832m，監(jiān)測(cè)段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，洞身經(jīng)過地層主要是碎裂巖、極破碎，工點(diǎn)范圍內(nèi)有斷層、褶皺，預(yù)測(cè)單位正常涌水量為413m3/d·km。施工中采用三臺(tái)階開挖法，臺(tái)階長(zhǎng)度為3m，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺劃分為7個(gè)施工步，按順序依次開挖，隧道斷面尺寸及進(jìn)尺施工步劃分如圖1所示。

圖1 隧道斷及進(jìn)尺施工步劃分

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)位置

隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目可以分為必測(cè)和選測(cè)兩部分，必測(cè)項(xiàng)目是保證隧道安全施工的基本前提和保障，主要包括了洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉和凈空變化等與變形相關(guān)的項(xiàng)目；選測(cè)項(xiàng)目主要針對(duì)特殊地質(zhì)或設(shè)計(jì)文件規(guī)定的項(xiàng)目，包括了圍巖壓力、初支與二襯間接觸力、錨桿軸力、噴砼內(nèi)力及二襯內(nèi)力等與內(nèi)力相關(guān)的項(xiàng)目。本文在右線隧道試驗(yàn)段內(nèi)布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，相鄰間距5m，并對(duì)拱頂下沉和凈空變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，拱頂下沉在斷面拱頂布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，凈空變化在同一斷面布置三條水平測(cè)線，位置布置在拱腰、中墻和拱腳三處（如圖2），分別監(jiān)測(cè)上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階的水平收斂。各測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率按測(cè)點(diǎn)到掌子面的距離（表1）與測(cè)點(diǎn)變形速率（表2）中較高的頻率選取。

表1 距離與監(jiān)測(cè)頻率表

表2 速率與監(jiān)測(cè)頻率表

圖2 變形監(jiān)測(cè)位置

3 變形數(shù)據(jù)的整理與分析

圍巖變形的大小與速率直接反應(yīng)了圍巖的穩(wěn)定性，是隧道施工監(jiān)測(cè)中的必測(cè)項(xiàng)，需要在初期支護(hù)之后及時(shí)埋設(shè)測(cè)點(diǎn)并按規(guī)定的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。本次監(jiān)測(cè)的拱頂下沉值、水平收斂值及拱頂下沉速率與水平收斂速率分別如圖3-圖6所示。

圖3 拱頂下沉與水平收斂變化圖

圖6 速率對(duì)比圖

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，拱頂下沉和凈空變化最終都處于收斂狀態(tài)，其中拱頂下沉變化趨勢(shì)可分為四個(gè)階段，即初始變化階段、急劇增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段和基本穩(wěn)定階段。初始變化階段為從開始監(jiān)測(cè)到第6施工步，該階段拱頂下沉較緩慢；急劇增長(zhǎng)階段出現(xiàn)在第7-21施工步，該階段拱頂下沉從5mm急劇增長(zhǎng)到了126mm；緩慢增長(zhǎng)階段出現(xiàn)在第22-39施工步，該階段拱頂下沉逐漸收斂；第40施工步之后為基本穩(wěn)定階段，拱頂下沉基本不在增長(zhǎng)，穩(wěn)定后累計(jì)拱頂下沉為171mm。這期間在第14-18施工步期間增長(zhǎng)速率最快，是拱頂下沉發(fā)生的主要時(shí)間段。

圖4 拱頂下沉速率與上臺(tái)階收斂速率圖

圖5 中臺(tái)階與下臺(tái)階收斂速率圖

凈空水平收斂變化趨勢(shì)可分為三個(gè)階段，即初始變化階段、急劇增長(zhǎng)階段和基本穩(wěn)定階段。初始變化階段和拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，都為從開始監(jiān)測(cè)到第6施工步，該階段各臺(tái)階水平收斂緩慢；急劇增長(zhǎng)階段上臺(tái)階出現(xiàn)在第7-25施工步、中臺(tái)階出現(xiàn)在第7-29施工步、下臺(tái)階出現(xiàn)在第7-30施工步，該階段水平收斂急劇增長(zhǎng)；之后各自水平收斂基本穩(wěn)定。這期間上臺(tái)階累計(jì)水平收斂338mm，中臺(tái)階累計(jì)水平收斂最大，值為387mm，下臺(tái)階累計(jì)水平收斂最小，值為253mm；收斂速率最快的時(shí)間段上臺(tái)階在第14-21施工步、中臺(tái)階在第14-22施工步、下臺(tái)階在第14-28施工步。

4 左右線掌子面間距對(duì)圍巖變形的影響

小凈距隧道圍巖的最終變形量及變形速率也與左右線掌子面間距有關(guān)，其關(guān)系可在試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合有限元模擬進(jìn)行研究，本次結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況選取20m、30m和40m三個(gè)掌子面間距參數(shù)作為分析對(duì)象，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)與模擬，得出拱頂下沉和下臺(tái)階水平收斂對(duì)比結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同掌子面間距拱頂下沉對(duì)比圖

圖8 不同掌子面間距下臺(tái)階水平收斂對(duì)比圖

從圖中可以看出，拱頂下沉最終值在掌子面間距分別為20m、30m和40m時(shí)變化不大，但隨著掌子面間距增大，拱頂下沉速率速率峰值逐漸靠后，有利于初期支護(hù)和圍巖的穩(wěn)定。隨著掌子面間距的增大，下臺(tái)階水平收斂速率基本相同，但最終收斂值間距為40m時(shí)最小，30m時(shí)次之，20m時(shí)最大，上臺(tái)階和中臺(tái)階水平收斂與下臺(tái)階基本相似，本文不再贅述。

5 結(jié)論

本文結(jié)合甘肅省隴南市的某鐵路隧道施工監(jiān)測(cè)工作，重點(diǎn)以圍巖變形作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，用圍巖變形評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性，尋找小凈距隧道采用三臺(tái)階法施工時(shí)圍巖的變形規(guī)律，為安全作業(yè)及二次襯砌施工提供指導(dǎo)，并得出以下結(jié)論：

①采用三臺(tái)階開挖法施工時(shí)，在初始階段拱頂下沉與水平收斂在開挖仰拱前變化較小，說(shuō)明圍巖整體有一個(gè)自穩(wěn)階段，時(shí)間出現(xiàn)在每次進(jìn)尺中的仰拱開挖之前，仰拱開挖后拱頂下沉和水平收斂開始急劇增長(zhǎng)。

②拱頂下沉值主要發(fā)生在第二至第三次進(jìn)尺期間，水平收斂值主要發(fā)生在第二至第四次進(jìn)尺期間，其發(fā)展速率基本和施工順序一致，拱頂下沉和上臺(tái)階水平收斂速率峰值較靠前，主要在第三次進(jìn)尺期間，中臺(tái)階和下臺(tái)階水平收斂速率峰值較靠后，主要在第四次進(jìn)尺期間。

③圖3至圖6中位移及速率變化節(jié)點(diǎn)大致為7的倍數(shù)，而如圖1施工步的劃分第7步恰好為仰拱施工，說(shuō)明仰拱開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性有較大影響。

④拱頂下沉在第三次進(jìn)尺后趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量為171mm，水平收斂在第四次進(jìn)尺后趨于穩(wěn)定，其中中臺(tái)階水平收斂值最大，值為387mm，上臺(tái)階次之、下臺(tái)階最小。

⑤左右線掌子面間距增大對(duì)小凈距隧道變形控制有利，但綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)因素，該地質(zhì)條件下掌子面間距控制在40m左右時(shí)效果較好。

本文基于三臺(tái)階施工法、每次進(jìn)尺3m、左右線掌子面距離40m的施工監(jiān)測(cè)數(shù)值，通過圍巖變形變化規(guī)律監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，為隧道施工與支護(hù)提供參數(shù)，保證隧道施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性。但小凈距隧道施工圍巖穩(wěn)定性受施工方法、左右線掌子面距離、左右線凈距、一次進(jìn)尺長(zhǎng)度等多種因素的影響，為更全面為施工提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可將圍巖壓力、初支與二襯間接觸力、錨桿軸力、噴砼內(nèi)力及二襯內(nèi)力等選測(cè)項(xiàng)目一起納入施工監(jiān)測(cè)工作，為隧道安全、經(jīng)濟(jì)施工提供更加科學(xué)的依據(jù)。