連拱隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)分析
2015-06-11
1前言
對(duì)于大多數(shù)隧道來(lái)說(shuō)，通常圍巖的性質(zhì)不能改變，隧道的穩(wěn)定性能主要取決于隧道的支護(hù)體系[1]。而高速公路隧道的特點(diǎn)是斷面大、隧道長(zhǎng)，隧道掘進(jìn)面前方和洞口的不良地層條件極易引起隧道塌方、涌水等災(zāi)害的發(fā)生[2]，因此，專業(yè)的地質(zhì)工程技術(shù)人員對(duì)于圍巖和支護(hù)應(yīng)力變化的監(jiān)控量測(cè)、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及隧道的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工，保證隧道的安全施工意義重大。
隧道施工地質(zhì)任務(wù)包括長(zhǎng)短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道圍巖類別的進(jìn)一步準(zhǔn)確鑒別、施工中重大地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、判斷和防治建議以及針對(duì)圍巖的不同地質(zhì)條件提出相匹配的施工方法和施工技術(shù)建議[3]。通過(guò)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析所得到的信息及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工中，以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、快速施工的目的[4]。而合理有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能極大地減少塌方、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，保證施工的順利安全進(jìn)行，同時(shí)極大地降低工程成本[5]。
2楓樹(shù)嶺隧道工程地質(zhì)概況
浙江某高速公路楓樹(shù)嶺隧道長(zhǎng)422m，其中明洞25米，暗洞397米，明洞按明挖施工，暗洞按新奧法施工。隧道由出口端開(kāi)始施工，當(dāng)時(shí)左洞前247m已完成二襯施工，右洞前65m以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖石破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，地形以陡坡地形為主。預(yù)報(bào)前施工至隧道中段圍巖以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，地形以高山山頂?shù)匦螢橹?，巖體節(jié)理裂隙稍發(fā)育，局部巖石較破碎。
該隧道進(jìn)洞口段地形坡向北西，坡度10～15度，上部分布零星殘積亞粘土，以下為凝灰?guī)r，洞頂埋深5～20米。3倍洞徑內(nèi)主要圍巖為全、強(qiáng)、弱風(fēng)化層，圍巖穩(wěn)定性較差，地下水貧乏，雨季沿裂隙滲入出現(xiàn)滴水或溢流現(xiàn)象。洞口自然邊坡平穩(wěn)。
出洞口段地形坡向東，坡度25～30度（局部較陡），基巖裸露，基巖為凝灰?guī)r，洞頂埋深0～33米。3倍洞徑內(nèi)主要圍巖為全、強(qiáng)、弱風(fēng)化凝灰?guī)r。圍巖穩(wěn)定性差，地下水接受大氣降水補(bǔ)給，水量貧乏,沿裂隙滲入隧道而出現(xiàn)滴水或溢流現(xiàn)象。洞口地段自然邊坡較陡。
洞身地段，以陡坡地形、高山山頂?shù)匦螢橹?。坡面基巖出露較多，靠近洞口地段圍巖穩(wěn)定性較差中部穩(wěn)定性一般，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖體呈角（礫）碎（石）狀，主要以弱風(fēng)化層為主，地下水類型以基巖裂隙水為主，沿裂隙滲入隧道而出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。
3隧道施工監(jiān)測(cè)
本文結(jié)合雙連拱隧道施工工藝特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)來(lái)判斷圍巖和隧道的穩(wěn)定狀態(tài)、保證施工安全、指導(dǎo)施工順序、進(jìn)行施工管理、提供設(shè)計(jì)信息。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：初次襯砌、二次襯砌在內(nèi)的支護(hù)體系的受力情況的監(jiān)測(cè)。
3.1襯砌上的監(jiān)測(cè)布置
由于雙連拱隧道存在著左、右洞開(kāi)挖的相互影響，開(kāi)挖的工序直接影響著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其主要表現(xiàn)在初期支護(hù)和二次襯砌的應(yīng)力變化上。初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在隧道右洞一個(gè)斷面上（布置圖見(jiàn)圖1）。一個(gè)鋼筋計(jì)斷面和一個(gè)土壓力盒斷面。鋼筋計(jì)斷面布置在鋼拱架上主要測(cè)量鋼拱架內(nèi)力的變化，土壓力盒斷面布置在圍巖和初襯之間，以監(jiān)測(cè)圍巖和初襯之間的壓力。二襯的應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在隧道左洞一個(gè)斷面上（布置圖見(jiàn)圖2）。鋼筋計(jì)斷面布置在配筋上主要測(cè)量配筋的內(nèi)力，土壓力盒斷面布置在初襯和二襯之間，以監(jiān)測(cè)初襯和二襯之間的壓力的變化。
3.2初襯應(yīng)力監(jiān)測(cè)具體布置與結(jié)果分析
可以看出初襯斷面安裝的土壓力盒在監(jiān)測(cè)初期左右拱部均產(chǎn)生了明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，這與人為擾動(dòng)和施工等因素有關(guān)，后期隨著應(yīng)力的逐漸調(diào)整可以明顯看出三測(cè)點(diǎn)初始?jí)毫胁煌潭鹊脑黾?，說(shuō)明初襯正在發(fā)揮其承載能力，壓應(yīng)力總的變化趨勢(shì)是隨時(shí)間的推移而減小，認(rèn)為是隨著變形的發(fā)展，圍巖的自承能力不斷發(fā)揮，因此初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力趨于減小并穩(wěn)定。這與隧道所采用的“新奧法”的思路是一致的，說(shuō)明施工工藝及所采用的支護(hù)形式是恰當(dāng)?shù)摹?br />
可以看出初襯斷面埋設(shè)的三測(cè)點(diǎn)鋼筋計(jì)所得出的應(yīng)力變化值在目前監(jiān)測(cè)時(shí)期內(nèi)均呈緩波狀起伏且變化趨勢(shì)基本一致，均為受壓狀態(tài)且兩拱部鋼拱架軸力大于拱頂?shù)匿摴凹茌S力，這與圍巖變形的發(fā)展有關(guān)。但監(jiān)測(cè)出的三測(cè)點(diǎn)剛拱架軸力較小相對(duì)于鋼拱架可以忽略不計(jì)，因此可以認(rèn)為在此處的圍巖基本穩(wěn)定，沒(méi)有太大的變形。
3.3二襯應(yīng)力監(jiān)測(cè)具體布置與結(jié)果分析
可以看出二襯斷面埋設(shè)的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力盒在監(jiān)測(cè)初期均向壓應(yīng)力增大方向發(fā)展，后隨著應(yīng)力的逐漸調(diào)整可以明顯看出測(cè)點(diǎn)的壓力均逐漸的趨于穩(wěn)定且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定的發(fā)展，說(shuō)明圍巖二襯的受力已趨于穩(wěn)定。
可以看出二襯斷面埋設(shè)的五個(gè)測(cè)點(diǎn)鋼筋計(jì)所得出的應(yīng)力變化值在目前監(jiān)測(cè)時(shí)期內(nèi)均呈波動(dòng)起伏且變化趨勢(shì)基本一致，先為受拉狀態(tài)后轉(zhuǎn)為受壓，最后壓應(yīng)力在一段時(shí)間突然增大。這與隧道圍巖變形的發(fā)展以及后續(xù)右洞的施工引起的應(yīng)力重分布有著密切的關(guān)系。表明二次襯砌施作時(shí)圍巖尚未完全穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施工方案；同時(shí)應(yīng)注意施工先后對(duì)洞室穩(wěn)定的影響，密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突變。
4地質(zhì)超前預(yù)報(bào)
楓樹(shù)嶺隧道地形以陡坡地形為主，左洞埋深較淺施工過(guò)程中為防止產(chǎn)生偏壓對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，右洞停止施工，先進(jìn)行左洞初襯的施工，左洞二襯逐漸跟進(jìn)，待左洞進(jìn)展到一定程度待支護(hù)體系已基本完成右洞再繼續(xù)進(jìn)尺。但由于左洞埋深較淺，基巖裂隙較發(fā)育，又由于當(dāng)時(shí)雨水較大，雨水由裂隙滲入隧道對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極其不利的影響，在進(jìn)尺過(guò)程中掌子面出現(xiàn)了不利的節(jié)理組合以及不利的圍巖組成形式，按照工程地質(zhì)調(diào)查與推斷的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，通過(guò)對(duì)掌子面的地質(zhì)素描及地質(zhì)分析對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題做到了及時(shí)準(zhǔn)確有效的超前預(yù)報(bào)。
4.1 K94+990斷面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)
在隧道左洞掌子面樁號(hào)開(kāi)挖到K94+990，通過(guò)對(duì)掌子面的素描及地質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)：該段埋深約87m，掌子面巖體較破碎，以紅褐色凝灰?guī)r為主，有滲水現(xiàn)象，巖石強(qiáng)度較低，表面光滑有油膩感，手折易斷，遇水易軟化。掌子面下部和中部均夾有約0.4～1m的巖體已有明顯的泥化現(xiàn)象，初步判斷可能為風(fēng)化殼。掌子面節(jié)理發(fā)育，節(jié)理間夾白色鈣質(zhì)方解石脈。右洞壁距離掌子面5m處有局部滴水現(xiàn)象。
根據(jù)對(duì)掌子面的分析給出了以下建議：該段節(jié)理較發(fā)育，掌子面前方可能仍在一定范圍內(nèi)存在類似的風(fēng)化殼，強(qiáng)度較低，泥化夾層可能延伸至洞頂，容易導(dǎo)致塌方，因此，施工時(shí)應(yīng)有超前支護(hù)措施，并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度及數(shù)量，并采取必要的安全措施，同時(shí)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，在掌子面前方圍巖開(kāi)挖后，需進(jìn)行洞內(nèi)觀察，及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免發(fā)生工程事故。之后施工方采用了工程技術(shù)人員的建議，及時(shí)采用了剛拱架的初期支護(hù)方案保證了工程的順利進(jìn)行。
4.2 K94+954斷面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)
當(dāng)隧道掌子面進(jìn)展到K94+954時(shí)，根據(jù)掌子面的情況發(fā)育有四組主要的節(jié)理①②③④（見(jiàn)圖8），從掌子面可以看到節(jié)理①被節(jié)理②所切斷，在洞頂有5cm左右的錯(cuò)距，這種錯(cuò)斷的節(jié)理在掌子面右部導(dǎo)致巖塊塌落；
節(jié)理④和節(jié)理①②在掌子面中上部相交，形成極其不利的節(jié)理組合，其下部的人字形節(jié)理組合十分容易產(chǎn)生掉塊；上部V字形節(jié)理組合由于傾向掌子面外部，在爆破震動(dòng)、鉆孔震動(dòng)或裂隙水浸泡軟化結(jié)構(gòu)面時(shí)，出現(xiàn)小塊巖石塌塊。
節(jié)理③和節(jié)理①②均有不同程度的組合交切，這導(dǎo)致掌子面中下部圍巖比較破碎，在鉆孔時(shí)中部的破碎巖石有掉塊現(xiàn)象。
而掌子面頂部的紅色軟弱夾層貫穿整個(gè)洞頂，由于其工程性質(zhì)十分差，現(xiàn)在雨水又較多基巖裂隙水滲入隧道,對(duì)洞頂軟弱夾層的穩(wěn)定性產(chǎn)生極其不利的影響，已經(jīng)出現(xiàn)直徑20cm的巖塊塌落。
根據(jù)掌子面情況技術(shù)人員給出的預(yù)報(bào)結(jié)果和建議是：
1） 在掌子面前方，節(jié)理②和節(jié)理①組合有可能繼續(xù)發(fā)展并切割，形成危險(xiǎn)的節(jié)理組合，極可能產(chǎn)生掉塊；而紅色軟弱夾層有向洞內(nèi)發(fā)展的趨勢(shì)，其自穩(wěn)能力十分差，因此施工時(shí)，必須注意觀察其發(fā)展趨勢(shì)，注意洞頂由此引發(fā)的掉塊，建議實(shí)施錨桿超前支護(hù)；
2） 節(jié)理④和節(jié)理①②的不利組合在掌子面前方仍會(huì)發(fā)育，這種不利的節(jié)理組合對(duì)圍巖穩(wěn)定性有一定影響，在施工時(shí)，注意觀察基巖裂隙水情況，并注意節(jié)理張開(kāi)度，防止掉塊；
3） 節(jié)理③和節(jié)理①②在前方掌子面左側(cè)可能仍然會(huì)形成不利的節(jié)理組合，巖體會(huì)比較破碎，當(dāng)節(jié)理③的長(zhǎng)度在前方掌子面增大，并有向上延伸時(shí)，要注意掉塊；
4） 該隧道巖體十分破碎，圍巖初襯支護(hù)必須緊跟，當(dāng)軟弱層遇到大型巖塊時(shí)，必須采取特殊的處理措施；爆破后，要及時(shí)、徹底的進(jìn)行排險(xiǎn)工作。同時(shí)工程技術(shù)人員需認(rèn)真進(jìn)行洞內(nèi)觀察，隨時(shí)通知施工方及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免發(fā)生工程事故。
通過(guò)施工的實(shí)際情況來(lái)看，工程技術(shù)人員的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在大多數(shù)情況下符合前方圍巖發(fā)育的實(shí)際情況，由于預(yù)先進(jìn)行了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，既保證了施工的安全進(jìn)行，同時(shí)對(duì)潛在的安全事故未雨綢繆，意義重大。
5結(jié)論及建議
根據(jù)以上對(duì)楓樹(shù)嶺隧道的監(jiān)控量測(cè)及地質(zhì)預(yù)報(bào)的分析可以得到以下結(jié)論：
1） 楊嶺隧道圍巖和初襯之間的壓力變化基本不大，初襯支護(hù)措施起到了應(yīng)有的效果，圍巖應(yīng)力重新分布對(duì)圍巖穩(wěn)定性的不利影響較小；
2） 楊嶺隧道初襯和二襯間受力較小，且在較短時(shí)間內(nèi)就可趨于穩(wěn)定，配筋的軸力變化在一定時(shí)間內(nèi)變化較大，這與隧道圍巖變形的發(fā)展以及后續(xù)隧道的施工引起的應(yīng)力重分布有著密切的關(guān)系，可結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，動(dòng)態(tài)施工，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案；
3） 根據(jù)對(duì)掌子面的分析，該隧道巖體十分破碎，
支護(hù)措施必須緊跟，當(dāng)軟弱層遇到大塊巖塊時(shí)，必須
采取特殊的處理措施；爆破后，及時(shí)、徹底的進(jìn)行排險(xiǎn)工作。同時(shí)需結(jié)合掌子面觀察，采用工程地質(zhì)調(diào)查與推斷的超前預(yù)報(bào)方法，及時(shí)對(duì)施工前方的圍巖狀況做出相應(yīng)預(yù)測(cè)，并及時(shí)采取相應(yīng)措施，確保施工安全。
4） 連拱隧道的施工，由于雙洞開(kāi)挖有先后，因此后開(kāi)挖洞室對(duì)先開(kāi)挖洞室穩(wěn)定性的影響較大，必須結(jié)合圍巖實(shí)際情況，合理優(yōu)化先開(kāi)挖洞室的二襯施工時(shí)間和后開(kāi)挖洞室開(kāi)挖時(shí)間，確保洞室穩(wěn)定。
