隧道軟弱圍巖變形監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性研究
2015-06-15
由于巖體斷層的結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)、特征和組合，隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性不一，易發(fā)生不同邊界條件、方式、規(guī)模及特征的的變形破壞。大量學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題做了不同角度和深度的研究，包括斷層的定性調(diào)查、預(yù)報(bào)以及圍巖穩(wěn)定性分析。本文以二青山隧道1#斜井為例，通過(guò)對(duì)開挖過(guò)程中出現(xiàn)的不同地段圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，深入對(duì)因受斷層影響的隧道圍巖變形特征與機(jī)理進(jìn)行定量分析，為隧道支護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
1.工程概況
二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段是太原至興縣線靜游至興縣段隧道。該段處于第四系上更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黃土層，呂梁山群赤堅(jiān)嶺組灰白色加黑色斑狀片麻巖，紅色偉晶巖，黑色云母片巖等。隧道埋深較淺，上覆黃土一般厚20-40米，具II級(jí)自重濕陷性，下伏基巖頂部有一層10-20米厚全風(fēng)化層，巖體節(jié)理發(fā)育，及破碎，呈碎石土狀，地表黃土層溝壑發(fā)育，DK134+100段地表有河流穿過(guò)，常年不斷，地下水位高，涌水量大。
變形段原設(shè)計(jì)為IV級(jí)圍巖，開挖過(guò)程中實(shí)際掌子面圍巖以強(qiáng)風(fēng)化黑色云母片巖、紅色偉晶巖，砂礫性碎石土為主，巖體及破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部部位滲水，巖體遇水剝層脫落、掉塊、坍塌，圍巖穩(wěn)定性極差。經(jīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理現(xiàn)場(chǎng)勘查變更為V級(jí)圍巖支護(hù)施工。
根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段采用臺(tái)階法進(jìn)行施工， 圍巖地質(zhì)狀況差，斜井進(jìn)入正洞采用門架式挑頂施工，在挑頂過(guò)程中，掌子面多次出現(xiàn)小型坍塌。在施作中導(dǎo)及下導(dǎo)時(shí)，由于圍巖為云母片巖，加之水量大，導(dǎo)致頻頻出現(xiàn)不同程度的塌方。在下導(dǎo)施作完成6小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)拱腰以下已嚴(yán)重侵限（初支預(yù)留變形量22cm），里程為DK134+809-801。為了控制變形，及時(shí)施作喇叭口段仰拱，對(duì)正洞邊墻部分進(jìn)行注漿加固。但是大里程施工數(shù)米后，變形段逐步延伸，變形主要表現(xiàn)為拱腰大面積噴射混凝土開裂、掉塊，鋼拱架局部變形扭曲，喇叭口處大里程段斜井拱架向正洞徑向方向壓彎。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉及水平收斂值均已超出允許范圍，沉降最大值已超出15.8cm，最大收斂超出50cm，拱頂下沉日收斂最大達(dá)到160mm。
2012年8月5日上導(dǎo)坑施工至DK134+870，施工期間圍巖收斂變形一直變化較大，為確保施工安全，采取仰拱、二襯緊跟掌子面開挖，及時(shí)封閉成環(huán)施工方法組織施工，進(jìn)度緩慢， 2012年9月16日掌子面施工至DK134+895，仰拱施工至DK134+890，二襯施工至DK134+863。2012年8月18日晚從已施工仰拱段DK134+870～890中下導(dǎo)交接處拱腰位置整體巨變收斂，其中右側(cè)最大收斂達(dá)100cm，左側(cè)收斂達(dá)70cm，拱頂由于受側(cè)向水平收斂影響，平均下沉20cm，存在嚴(yán)重施工安全隱患。
2.變形處理方案
根據(jù)工程項(xiàng)目的復(fù)雜、難易程度，施工單位制定了專門的施工方案《二青山隧道1#斜井變形段換拱施工方案》。
（1）從2#斜井棄碴場(chǎng)拉石碴及時(shí)對(duì)DK134+870～890段中下導(dǎo)坑進(jìn)行回填反壓處理，回填高度3.5米，控制收斂變形，確保DK134+870～DK134+890整體穩(wěn)定，防止變形加大導(dǎo)致隧道整體坍塌災(zāi)害。
?。?）對(duì)變形體段DK134+870～+900段已成型中上導(dǎo)坑初期支護(hù)進(jìn)行全斷面徑向注漿固結(jié)處理，預(yù)防替換拱架施工造成二次擾動(dòng)變形加大，導(dǎo)致坍塌不安全隱患事故發(fā)生。
?。?）注漿完畢待注漿強(qiáng)度符合要求后，從DK134+870開始用風(fēng)鎬在變形初期支護(hù)的兩榀鋼拱架之間開槽鑿除初期支護(hù)侵限部分，槽寬50cm，測(cè)量滿足設(shè)計(jì)斷面要求后，安裝新的I20鋼拱架，并按設(shè)計(jì)要求施作好系統(tǒng)錨桿，鎖腳錨管（Φ42mm×3.5mm無(wú)縫鋼管、錨管長(zhǎng)3.5m，每處2根）。采用同樣方法繼續(xù)施工處理、安裝第二榀新I20工字鋼拱架，施工系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿后利用風(fēng)鎬鑿出兩榀拱架之間侵限初期支護(hù)噴射混凝土及拆除變形舊I18鋼拱架，安裝鋼筋網(wǎng)片，縱向連接筋，報(bào)監(jiān)理檢查合格后立即噴射混凝土封閉。以此類推間隔替換侵限格柵拱架施工至DK134+890。
（4）仰拱、二襯及時(shí)跟進(jìn)封閉成環(huán)確保DK134+870～890段落整體施工安全。
3.監(jiān)測(cè)與分析
開挖是隧道軟弱圍巖產(chǎn)生的洞周收斂變形主要原因。巖體分為堅(jiān)硬巖體、軟弱巖體和極軟巖體。堅(jiān)硬巖體，洞周的內(nèi)空收斂變形由開挖導(dǎo)致；軟弱巖體和極軟巖體，圍巖具有特殊性，變形量大，而且變形規(guī)律不同。欲做好隧道設(shè)計(jì)和施工安全，需正確地認(rèn)識(shí)軟弱圍巖的變形規(guī)律。
（1）分點(diǎn)錨固式多點(diǎn)伸長(zhǎng)計(jì)原理
測(cè)桿件和測(cè)頭組成分點(diǎn)錨固式多點(diǎn)伸長(zhǎng)計(jì)。其原理是：首先將伸長(zhǎng)計(jì)的錨頭錨固于鉆孔中的各測(cè)點(diǎn)上，然后通過(guò)測(cè)桿將錨固頭延伸至孔口測(cè)試面板旁，透過(guò)百分表觀測(cè)相對(duì)位移，即測(cè)點(diǎn)與隧道巖體上各參考點(diǎn)的相對(duì)位移。通常在百分表測(cè)桿上置放球面狀表托，增加測(cè)試桿與測(cè)試面板的接觸和保證垂直性，減少測(cè)量誤差和增加測(cè)試的重復(fù)度。
分點(diǎn)錨固式多點(diǎn)伸長(zhǎng)計(jì)的安裝步驟：鉆孔后測(cè)量深度，準(zhǔn)備一套安裝桿（和輔助安裝設(shè)備），要求其深度與孔深一致；連接錨固件和桿件，往錨固筒中灌注水泥砂漿；利用安裝桿將組裝好的測(cè)試器送至測(cè)試點(diǎn)，利用桿件間的相對(duì)移動(dòng)擠出水泥，完成第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的安裝，將錨固筒錨固于孔；卸下安裝桿，重復(fù)上述步驟，安裝其他測(cè)試點(diǎn)；清理孔口，按順序把連接各側(cè)頭并套入護(hù)管和把連接面板的測(cè)頭錨固筒插入孔口，并保持1m左右的測(cè)量空間。
本工程研究采用4點(diǎn)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度為0.101mm，量程為0~100mm。測(cè)桿件安裝孔直徑為76mm,測(cè)頭安裝孔直徑為110mm。
（2）變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容及頻率
隧道軟弱圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取很重要，關(guān)系著監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠與準(zhǔn)確。綜合考慮測(cè)量方法的可操作性和可靠性、成本和指導(dǎo)作用等因素，選取拱頂下沉和周邊水平收斂作為變形監(jiān)測(cè)必測(cè)項(xiàng)目，用于日常施工管理使用。
布置監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)，對(duì)初支變形段在施工過(guò)程中產(chǎn)生的變化進(jìn)行觀測(cè)，提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)換拱施工。監(jiān)控量測(cè)的頻率根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行，由于原初期支護(hù)變形量大，每天監(jiān)測(cè)頻次不少于4次，監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋。如果發(fā)現(xiàn)圍巖變形突變，應(yīng)該馬上停止換拱施工，分析突變?cè)?，并及時(shí)向相現(xiàn)場(chǎng)管理人員匯報(bào)，研究進(jìn)一步處理方案。
?。?）監(jiān)測(cè)結(jié)果
根據(jù)二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段的周邊水平收斂位移曲線圖（如圖1）可知，上側(cè)線呈梯形，而下測(cè)線呈拋物線形。
圖1斷面周邊水平收斂曲線圖圖2斷面拱頂沉降曲線圖
而拱頂中間測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線（如圖2）呈梯形。
?。?）分析
根據(jù)初期支護(hù)斷面測(cè)量檢測(cè)成果，確定初期支護(hù)拱架替換里程段落，為防止換拱作業(yè)過(guò)程中初期支護(hù)變形，在換拱施工前對(duì)換拱段落初期支護(hù)進(jìn)行全斷面注漿預(yù)加固處理，然后再采用風(fēng)鎬鑿除兩榀拱架之間噴射混凝土，重新安裝I20鋼拱架進(jìn)行二次初期支護(hù)。
由于測(cè)量過(guò)程中人為或是外界（氣候、環(huán)境等）的影響，用數(shù)學(xué)方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，規(guī)避因測(cè)量結(jié)果存在偶然誤差而引起的離散性，或是減少離散性對(duì)結(jié)果的影響。綜合考慮臺(tái)階法施工中，對(duì)下一臺(tái)階的開挖會(huì)對(duì)上一級(jí)或是已開挖隧道上層圍巖產(chǎn)生二次擾動(dòng)，利用回歸分析法對(duì)二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890斷面測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如圖3所示。
圖3 二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段斷面圍巖變形回歸分析
4.結(jié)論
正確地認(rèn)識(shí)軟弱圍巖的變形規(guī)律，是做好隧道設(shè)計(jì)和施工安全的前提；獲取真實(shí)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合分析研究，可以完善設(shè)計(jì)方案和正確指導(dǎo)施工。本文通過(guò)對(duì)二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段隧道軟弱圍巖段的施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，研究了其隧道軟弱圍巖的穩(wěn)定性，得出如下主要結(jié)論：
?。?）二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段拱頂下沉和周邊水平收斂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形曲線可以分為三個(gè)階段：快速變形階段、緩慢變形階段和趨穩(wěn)階段。
（2）利用回歸分析法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可預(yù)測(cè)到圍巖較精確地的最終變形量，并對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和判斷，監(jiān)測(cè)測(cè)量分析結(jié)果表明下臺(tái)階開挖四十天后便可對(duì)其進(jìn)行二次襯砌。
?。?）施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)量綜合分析結(jié)果表明，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段采用臺(tái)階法施工是可行的。
