不良地質(zhì)條件進行三臺階法隧道施工變形規(guī)律研究

摘要：簡介仁和雙線特長隧道工程概況和水文地質(zhì)情況，對該隧道不良地質(zhì)情況進行了深入分析，并對該隧道施工的穩(wěn)定性進行了評價，論述了該隧道采用三臺階法施工要點，對施工過程中拱頂沉降、拱腰和拱腳收斂進行了施工過程監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果表明，在不良地質(zhì)條件下進行隧道施工，隧道拱頂變形大于拱腰，而拱腰變形大于拱腳，該研究結(jié)果對類似隧道施工具有參考價值。

關(guān)鍵詞：不良地質(zhì)條件；三臺階法施工；圍巖變形；過程監(jiān)測

0" "引言

隧道工程建設(shè)中，其地表易出現(xiàn)滑坡、滑坡、陷坑、溝谷等不良地質(zhì)現(xiàn)象[1-2]。針對于此常采取三臺階法進行施工。采用三臺階法因具有效率高、適應(yīng)性強、調(diào)整靈活、穩(wěn)定性好、安全性高等優(yōu)勢，而在隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

近年來，眾多國內(nèi)學(xué)者也對隧道開挖變形規(guī)律進行了研究。姚成睿[4]采用FLAC 3D仿真軟件構(gòu)建了不同凈距、不同深度范圍內(nèi)回填土隧道圍巖變形預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值。裴巧玲等[5]通過對隧道的三臺階七步開挖施工方法進行了數(shù)值仿真和分析，找出了關(guān)鍵監(jiān)控區(qū)及加固區(qū)。王常波[6]采用數(shù)值仿真方法，確定了隧道三臺階法的最優(yōu)階梯高度，并對其進行了分析。本文以仁和隧道工程施工為研究對像，對該隧道圍巖變形規(guī)律進行了現(xiàn)場監(jiān)測分析，為研究不良地質(zhì)條件下公路隧道施工的圍巖變形規(guī)律提供了經(jīng)驗。

1" "隧道工程概況和水文地質(zhì)條件

1.1" "隧道工程概況

擬建的仁和雙線特長隧道位于巧家縣境內(nèi)。該隧道呈曲線形設(shè)計，左線隧道起訖樁號為KH43+230～KH46+455，全長3225m，最大埋深為368.52m；右線隧道起訖樁號為KH43+326～KH46+511，全長3185m，最大埋深為79.91m。該隧道設(shè)計在中、高山區(qū)，地勢起伏很大。該隧道的中心線標(biāo)高為905.555m～1292.057m，最大高差為386.502m。山體天然坡度在35～65°之間，植被較為發(fā)達。隧道入口和出口均在山前斜坡上，山體較為穩(wěn)定。隧道進、出口無公路，交通狀況十分惡劣。

1.2" "水文地質(zhì)條件

該隧道地質(zhì)為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖、下二疊系下統(tǒng)灰?guī)r、泥盆系中統(tǒng)幺棚子組灰?guī)r，下寒武系下統(tǒng)灰?guī)r、下寒武統(tǒng)二道水組。根據(jù)巖體的巖性、埋藏深度和風(fēng)蝕度等特點，將隧道洞室圍巖定為Ⅳ級，在開挖過程中需要進行支護和防排水。

該隧道施工區(qū)域地下水來源主要是基巖裂隙水，其次是碳酸鹽巖水。玄武巖地層中的基巖裂隙水較多，具有較好的連通性。強風(fēng)化巖層中，表層風(fēng)化裂縫發(fā)育，巖石破碎，僅含有少量裂隙水，其水源以大氣降雨為主，溝谷等低洼地段則以地表徑流的方式排出。

2" "不良地質(zhì)分析和隧道施工穩(wěn)定性評價

2.1" "不良地質(zhì)分析

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該隧道施工區(qū)域內(nèi)通過巖石斷層，該斷層從距離右側(cè)隧道出口約 55m 處通過，斷層性質(zhì)為逆斷層，屬小江斷裂分支、全新世活動斷裂，斷層寬度在30m左右。斷裂帶以碎裂巖、斷角礫和斷層泥為主，斷裂面發(fā)育有明顯的裂理，斷裂面為摩擦鏡和刮痕。斷層帶兩側(cè)巖體風(fēng)化強烈，巖體破碎，斷層帶劈理和節(jié)理發(fā)育，巖塊直徑1～3cm，滑坡、崩塌頻發(fā)。

2.2" "隧道施工穩(wěn)定性評價

2.2.1" "進口段隧道洞口

進口段隧道洞口位于斜坡地段，軸線方向約355°，地形基本對稱，基巖出露。根據(jù)周邊地質(zhì)調(diào)繪，出露地層巖性為白云巖，其節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道洞口仰坡及其兩側(cè)邊坡的坡體為強風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。在仰坡和邊坡開挖過程中，如果沒有超前支護或者其他防護措施，就會因為斜坡陡峭、地表水沖刷、爆破施工不當(dāng)?shù)惹闆r，導(dǎo)致邊坡巖土崩落。處在斜坡上的進口段隧道洞口存在偏壓現(xiàn)象，隧道設(shè)計與施工時應(yīng)給與充分考慮。

2.2.2" "出口段隧道洞口

出口段隧道洞口同樣位于斜坡地段，軸線方向約 358°，植被發(fā)育，多為灌木叢，地表為碎石土，下伏基巖主要為玄武巖。隧道洞口坡面與巖體方向相反，為反向斜坡；其左側(cè)斜坡與巖層傾向有較大夾角的斜坡，屬于穩(wěn)定邊坡。其右側(cè)斜坡與地層走向相對傾斜，有一個較大的夾角，也是穩(wěn)定斜坡。

中等強度風(fēng)化層的抗侵蝕能力不強，其節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，如果沒有超前支護或者其他防護措施，也會因為斜坡陡峭、地表水沖刷、爆破施工不當(dāng)?shù)惹闆r，導(dǎo)致邊坡巖土崩塌。隧道出口位于斜坡上，有一定的偏壓，是隧道設(shè)計和施工必須重視的問題。

3" "三臺階法施工要點

三臺階法施工適用于一般地層中的Ⅳ級圍巖段、Ⅴ級圍巖深埋段及黃土地層中Ⅳ級圍巖深埋地段。根據(jù)該雙線隧道的水文地質(zhì)情況，決定采用三臺階法施工。

3.1" "上臺階施工

隧道拱部進行超前支護完成后，沿環(huán)向開挖隧道拱部的弧形導(dǎo)坑，在導(dǎo)坑中間預(yù)留長度為3～5m、寬度為開挖寬度1/3～1/2的核心土。開挖結(jié)束后立即進行厚度為3～5cm混凝土初噴?；炷脸鯂姾?，及時鉆設(shè)錨桿、架設(shè)鋼筋網(wǎng)和鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側(cè)，按照向下傾斜30°的角度鉆設(shè)鎖腳錨，并與鋼架焊接牢固，使其形成上臺階初期支護，從而保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

3.2" "中臺階施工

中臺階開挖應(yīng)延續(xù)保留與上臺階尺寸相同的核心土。中臺階開挖的進尺根據(jù)鋼架之間的距離確定，最長不得超過1.5m，開挖高度一般為3～4m，開挖后立即進行3～5cm混凝土初噴，及時鉆設(shè)錨桿、架設(shè)鋼筋網(wǎng)和鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

按照與上臺階相同方法，在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側(cè)，按照向下傾斜30°的角度鉆設(shè)鎖腳錨，并將其與鋼架焊接牢固，形成中臺階初期支護，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

3.3" "下臺階施工

下臺階開挖應(yīng)延續(xù)保留與上、中臺階尺寸相同的核心土。下臺階開挖進尺由初期支護鋼架的間距決定，最長不能大于1.5m，開挖高度通常是3～4m，開挖后立即進行3～5cm混凝土初噴，及時鉆設(shè)錨桿、架設(shè)鋼筋網(wǎng)和鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。按照與上、中臺階相同方法，在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側(cè)，按照向下傾斜30°的角度鉆設(shè)鎖腳錨，并將其與鋼架焊接牢固，使其形成下臺階初期支護，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

在上、中、下臺階均完成上述施工的隧道段，分段開挖上、中、下臺階預(yù)留的核心土，同時分段開挖隧道底部并完成初期支護，使初期支護成環(huán)，然后進行仰拱施工。

4" "施工過程監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

4.1" "拱頂沉降監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

4.1.1" "拱頂沉降監(jiān)測

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規(guī)律，選取了KH44+755和KH44+765斷面進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)對這兩個斷面拱頂沉降隨時間變化情況進行分析。對這兩個斷面進行拱頂沉降監(jiān)測后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的拱頂沉降隨時間變化曲線如圖1所示。

4.1.2" "數(shù)據(jù)分析

由圖1可知，KH44+755和KH44+765兩個斷面拱頂沉降隨著隧道施工的逐步推進而逐漸增大，并且KH44+765斷面的拱頂沉降幅度要明顯大于KH44+755斷面。這一現(xiàn)象可能與兩個斷面所處的不同地質(zhì)環(huán)境、圍巖性質(zhì)以及局部施工條件的差異有關(guān)。進一步分析可知，在施工初期，尤其是在中臺階開挖階段之前，兩個斷面的拱頂沉降速率均較大。這一階段主要由于隧道開挖引起的圍巖應(yīng)力重新分布和應(yīng)力釋放，導(dǎo)致圍巖變形顯著，沉降速率較快。

進入中臺階開挖階段至仰拱初期支護施作完成之間，沉降速率有所減緩，這表明隨著支護結(jié)構(gòu)逐步到位，圍巖變形的速率受到一定的控制和約束，沉降逐漸趨于平緩。尤其是在仰拱施工完成后，拱頂沉降速率進一步減小，最終趨于穩(wěn)定，這表明此時圍巖的變形已經(jīng)接近完成，系統(tǒng)的支護作用逐漸顯現(xiàn)，圍巖變形進入長期穩(wěn)定狀態(tài)。

在KH44+755和KH44+765斷面施工接近尾聲時，拱頂沉降分別停止在-9.85mm和-10.11mm，表明這兩個斷面的沉降已基本穩(wěn)定，圍巖的變形幅度趨于最小，施工階段的主要變形過程基本完成。

4.2" "拱腰收斂監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

4.2.1" "拱腰收斂監(jiān)測曲線繪制

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規(guī)律，對KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂隨時間變化情況進行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的拱腰收斂隨時間變化曲線如圖2所示。

4.2.2" "數(shù)據(jù)分析

由圖2可知，KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂隨著施工推進逐漸增大，且兩者的拱腰收斂差異較小。隨著施工的推進，尤其是在開挖過程中，圍巖的應(yīng)力逐漸釋放，從而導(dǎo)致拱腰收斂現(xiàn)象逐步加劇。

在中臺階開挖階段到仰拱施作完成過程中，這兩個斷面的拱腰收斂變形速率較快，顯示出隧道開挖和支護結(jié)構(gòu)施工過程中圍巖應(yīng)力重新分布的影響。特別是在中臺階開挖階段，隨著支護結(jié)構(gòu)尚未完全到位，圍巖的變形較為明顯，收斂速率較大。

當(dāng)進入仰拱施作階段，隨著仰拱的逐步施工，支護效果開始顯現(xiàn)，圍巖變形逐漸受到控制，拱腰收斂速率有所減緩。當(dāng)仰拱施工結(jié)束時，拱腰收斂變形趨于停止，表明圍巖變形的主要過程已基本完成，并達到了長期穩(wěn)定狀態(tài)。在KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂趨于穩(wěn)定時，其收斂值分別為-4.72mm和-4.9mm，表明這兩個斷面的拱腰收斂在施工完成后趨于平衡，圍巖變形幅度趨于最小。

4.3" "拱腳收斂監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

4.3.1" "拱腳收斂監(jiān)測曲線繪制

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規(guī)律，對KH44+755和KH44+765斷面的拱腳收斂隨時間變化情況進行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的拱腳收斂隨時間變化曲線如圖3所示。

4.3.2" "數(shù)據(jù)分析

從圖3中可知，KH44+755和KH44+765斷面的拱腳收斂隨著施工的推進逐漸增大，而且這兩個監(jiān)測斷面拱腳收斂的變化幅度相差不大，這說明兩者的圍巖變形表現(xiàn)出相似的趨勢。隨著施工的推進，拱腳與拱腰的變形規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，這表明在隧道施工過程中，圍巖的變形呈現(xiàn)出較為協(xié)調(diào)的變化特征。特別是在仰拱施工完成后，兩個監(jiān)測斷面的拱腳變形趨于穩(wěn)定，顯示出圍巖在支護結(jié)構(gòu)作用下逐漸達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

在KH44+755和KH44+765斷面拱腳的收斂趨于穩(wěn)定時，其收斂值分別為-2.94mm和-3.02mm，這表明在隧道施工完成后，拱腳的圍巖變形已經(jīng)基本穩(wěn)定，達到設(shè)計要求，確保了隧道結(jié)構(gòu)的安全性。隨著施工的深入，隧道圍巖變形的規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的順序性，即拱頂?shù)淖冃畏茸畲?，其次是拱腰，最后是拱腳，即拱頂＞拱腰＞拱腳。

5" "結(jié)束語

本文以仁和隧道工程施工為研究對像，對該隧道圍巖變形規(guī)律進行了現(xiàn)場監(jiān)測分析。監(jiān)測結(jié)果表明：KH44+755和KH44+765兩個斷面拱頂沉降隨著施工的進行逐漸增大，且KH44+765斷面拱頂沉降要大于KH44+755斷面。從中臺階開挖階段到仰拱施作完成過程中，拱腰收斂變形速率較快，當(dāng)仰拱施工結(jié)束時，拱腰變形趨于穩(wěn)定。隨著施工的進行，拱腰與拱腳的變形規(guī)律基本相同。當(dāng)仰拱施工結(jié)束時，拱腳變形趨于穩(wěn)定。由此得出隧道圍巖變形大小的規(guī)律為：拱頂＞拱腰＞拱腳。

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