下伏公路隧道施工對(duì)上覆引水隧洞穩(wěn)定性的影響分析

胡衛(wèi)軍 盧繼指 周祥 宋偉

作者簡(jiǎn)介：胡衛(wèi)軍（1989—），碩士，工程師，主要從事交通巖土工程勘察與設(shè)計(jì)、巖土專項(xiàng)施工管理工作。

為分析廣西某下伏高速公路隧道施工對(duì)上覆引水隧洞穩(wěn)定性的影響，文章采用空心包體應(yīng)力解除法對(duì)上覆引水隧洞在下伏公路隧道施工前后進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)上覆引水隧洞圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析。結(jié)果表明，該隧址區(qū)圍巖應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，在下伏公路隧道施工后，上覆引水隧洞圍巖的最大主應(yīng)力下降3.08%；同時(shí)，引水隧洞左側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由8.9 mm增加到9.2 mm，右側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由4.9 mm增加到5.2 mm。故下伏隧道施工對(duì)上覆引水隧洞的影響較小，引水隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。

公路隧道；引水隧洞；地應(yīng)力；空心包體應(yīng)力解除法；圍巖松動(dòng)圈

U456.3A511802

0?引言

公路隧道的布置常受地質(zhì)條件和社會(huì)環(huán)境等因素限制，影響隧道穩(wěn)定性的因素較多，主要包括隧道的埋深、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和鄰近隧道的施工擾動(dòng)等。大量工程實(shí)踐證明：隧道穩(wěn)定性受鄰近隧道施工擾動(dòng)影響較大，其中，下伏隧道施工對(duì)上覆隧道穩(wěn)定性的影響一直是工程建設(shè)中的熱點(diǎn)問題［1］。研究表明，下伏隧道施工過程中，上覆隧道穩(wěn)定性不僅與隧道的空間位置相關(guān)，也受到地應(yīng)力影響［2］。隨著隧道埋深的增加，地應(yīng)力對(duì)隧道的破壞也會(huì)更加顯著。在實(shí)際工程中，常采用對(duì)鄰近隧道進(jìn)行地應(yīng)力監(jiān)測(cè)的手段來評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)鄰近隧道的穩(wěn)定性影響。另外，對(duì)鄰近隧道圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也是評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)鄰近隧道穩(wěn)定性影響的一種常規(guī)手段。因此，掌握下伏隧道施工前后上覆隧道地應(yīng)力和圍巖松動(dòng)圈范圍的變化，對(duì)于評(píng)價(jià)上覆隧道的穩(wěn)定性具有重要意義。

本文以廣西某高速公路隧道工程為研究背景，通過對(duì)上覆引水隧洞在下伏公路隧道施工前后地應(yīng)力和圍巖松動(dòng)圈的范圍進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析下伏公路隧道施工對(duì)上覆引水隧洞穩(wěn)定性的影響，為今后類似工程提供參考。

1?研究背景及研究區(qū)域概況

廣西某高速公路隧道區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕中低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，隧道長(zhǎng)約4.5 km，最大埋深約為668 m，為典型的山區(qū)深埋特長(zhǎng)高速公路隧道。在隧道埋深440 m處，上覆一條引水隧洞，引水隧洞斷面為直墻半圓拱型，底板距公路隧道頂板約66 m，其走向與公路隧道走向近似呈正交關(guān)系。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，公路隧道位于泥質(zhì)砂巖層內(nèi)，引水隧洞位于細(xì)砂巖巖層內(nèi)，兩者的空間位置及地層巖性情況如圖1所示。

2?引水隧洞圍巖應(yīng)力分析

2.1?測(cè)點(diǎn)布置方案

目前，地應(yīng)力測(cè)試方法分為直接測(cè)試法與間接測(cè)試法，直接測(cè)試法有扁千斤頂法、水壓致裂法、套筒致裂法、聲發(fā)射法［3］等；間接測(cè)試法有應(yīng)力和應(yīng)變解除法等。結(jié)合本次地應(yīng)力測(cè)試精度等相關(guān)要求，采用空心包體應(yīng)力解除法［4-5］對(duì)引水隧洞在下伏公路隧道施工前后各進(jìn)行了6次地應(yīng)力測(cè)試。依據(jù)地應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置原則［6］，測(cè)點(diǎn)布置在引水隧洞中，具體布置方案如圖2所示。其中Q、H分別表示在下伏公路隧道施工前、后的測(cè)點(diǎn)。

2.2?測(cè)試原理

空心包體應(yīng)力解除法是地應(yīng)力測(cè)試常用的間接測(cè)試法之一，具有在單孔中通過一次套芯得到三維應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。空心包體應(yīng)變計(jì)是該測(cè)試方法中最重要的元

件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在鉆機(jī)將含有空心包體應(yīng)變計(jì)的巖芯取出的過程中，布置在應(yīng)變計(jì)中的應(yīng)變片能準(zhǔn)確地測(cè)出應(yīng)力解除過程中由于巖芯彈性變形引起的應(yīng)變，然后通過應(yīng)變量反算出原始地應(yīng)力的大小和方向，具體反算原理見文獻(xiàn)［7］。

2.3?測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，共得到12組應(yīng)變解除曲線，限于文章篇幅，僅給出H5測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變解除曲線，如圖4所示。

將現(xiàn)場(chǎng)所取巖芯帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行圍巖率定試驗(yàn)，求解出巖體的彈性模量及泊松比（具體求解原理見文獻(xiàn)［8］），后將實(shí)測(cè)應(yīng)變值、巖體的彈性模量和泊松比代入該文獻(xiàn)原理公式中進(jìn)行計(jì)算，求出各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果（見表1）。

分析表1可知，各測(cè)點(diǎn)處第一和第三主應(yīng)力方向?yàn)榻椒较?，第二主?yīng)力方向?yàn)榻怪狈较颉Ｔ谙路匪淼朗┕で?，最大主?yīng)力約為13.33 MPa，測(cè)點(diǎn)處圍巖自重應(yīng)力約為9.27 MPa，圍巖最大主應(yīng)力是圍巖自重應(yīng)力的1.43倍左右，說明該隧址區(qū)圍巖應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。在下伏公路隧道施工后，最大主應(yīng)力平均值變?yōu)?2.92 MPa，與下伏公路隧道施工前相比下降3.08%，地應(yīng)力變化較小，表明公路隧道施工對(duì)引水隧洞影響較小。

3?圍巖變形分析

3.1?監(jiān)測(cè)方案

圍巖的穩(wěn)定性與圍巖狀態(tài)密切相關(guān)，圍巖松動(dòng)圈的演化規(guī)律直接反映了圍巖從變形破壞至穩(wěn)定的全過程［9］。為實(shí)時(shí)掌握引水隧洞圍巖的穩(wěn)定性，在引水隧洞兩側(cè)墻預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)（見圖5）［10］，通過多點(diǎn)式位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍及圍巖松動(dòng)位移的變化情況。

3.2?監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析下伏公路隧道施工對(duì)上覆引水隧洞的影響，選取下伏公路隧道施工前和施工后3個(gè)月的監(jiān)

測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如后頁(yè)表2所示。

分析表2可知，在下伏公路隧道施工時(shí)，由于施工擾動(dòng)和復(fù)雜應(yīng)力的作用，引水隧洞圍巖松動(dòng)范圍增大。左、右側(cè)墻圍巖松動(dòng)范圍均由5 m增加到6 m；同時(shí)，位移計(jì)測(cè)得的圍巖位移數(shù)值均變大。在下伏公路隧道施工后，左側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由8.9 mm增加到9.2 mm，右側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由4.9 mm增加到5.2 mm，分別增長(zhǎng)3.37%和6.12%。由于左側(cè)墻圍巖距離公路隧道更近，受到的施工擾動(dòng)更大，在圍巖應(yīng)力重分布的過程中，左側(cè)墻圍巖的變形大于右側(cè)墻，但圍巖變形均較小，故下伏公路隧道的施工對(duì)上覆引水隧道影響不大，引水隧道安全可靠。

4?結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上覆引水隧洞在下伏公路隧道施工前后的地應(yīng)力和圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和分析，得出以下結(jié)論：

（1）各測(cè)點(diǎn)處第一和第三主應(yīng)力方向?yàn)榻椒较?，第二主?yīng)力方向?yàn)榻怪狈较?。在下伏公路隧道施工前，最大主?yīng)力約為13.33 MPa，測(cè)點(diǎn)處圍巖自重應(yīng)力約為9.27 MPa，圍巖最大主應(yīng)力是圍巖自重應(yīng)力的1.43倍左右，說明該隧址區(qū)圍巖應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

（2）在下伏公路隧道施工時(shí)，由于施工擾動(dòng)和復(fù)雜應(yīng)力的作用，引水隧洞圍巖松動(dòng)范圍和圍巖位移增大，左側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由8.9 mm增加到9.2 mm，右側(cè)墻測(cè)點(diǎn)處圍巖的最大位移由4.9 mm增加到5.2 mm，分別增長(zhǎng)3.37%和6.12%。

（3）綜合分析可知，在公路隧道施工過程中，引水隧洞圍巖松動(dòng)圈范圍增加，地應(yīng)力減小，但是變化范圍均較小，說明公路隧道的施工對(duì)引水隧洞影響較小，引水隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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