小間距大斷面公路隧道長距穿越變余泥質(zhì)板巖區(qū)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性試驗研究

劉鋼

（中鐵北京工程局集團第一工程有限公司，陜西渭南714000）

1 緒論

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國基礎(chǔ)建設(shè)也得到迅猛的發(fā)展，高速鐵路和高速公路的不斷聯(lián)通，城市交通網(wǎng)進一步加密。為保證行車條件和線路的平順，線路工程中的橋隧比不斷攀升。眾所周知，隧道所經(jīng)歷的區(qū)域地形和地質(zhì)情況復(fù)雜多變，給隧道施工帶來了不少的安全隱患。針對在板巖地區(qū)修建隧道，劉高等[1]通過研究木寨嶺隧道大變形現(xiàn)象，指出該隧道的大變形是圍巖巖性、地下水、地應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。葉康慨[2]以木寨嶺隧道大坪有軌斜井為對象，研究了板巖產(chǎn)生大變形現(xiàn)象及處理對策。鄒猻等[3]通過木寨嶺隧道7舟斜井中控制板巖大變形的實驗對比，認為超前大鉆孔法與超前導(dǎo)洞法都能起到一定的控制變形的作用。王運金[4]結(jié)合武吉高速公路九嶺山隧道中弱風(fēng)化板巖的塌方現(xiàn)象，提出了板巖隧道塌方治理措施。縱觀這些研究成果，主要是針對板巖的巖性特征，而以分離式小間距的大斷面隧道施工期的結(jié)構(gòu)受力特征的研究鮮見報道，因此，本文以分離式小間距公路隧道長距穿越變余泥質(zhì)板巖區(qū)為對象，研究并分析隧道施工過程中支護結(jié)構(gòu)受力變化特性及圍巖變形特征，為隧道安全快速穿越變余泥質(zhì)板巖區(qū)提供理論支持。

2 工程背景

2.1 工程概況

各竜隧道橫穿羊圈溝與各竜溝交匯地帶山體，隧道采用分離式設(shè)計，其中左線進口里程ZK253+310，出口里程ZK255+795，全長2485m；右線進口里程K253+305，出口里程K255+790，全長2485m。洞身最大埋深約192.4m。隧道進口采用削竹式，出口采用端墻式。隧道洞身主要穿越三疊系（T2）地層，巖性為強—中風(fēng)化板巖：變余泥質(zhì)（砂質(zhì)）結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造。節(jié)理裂隙極發(fā)育，膠結(jié)程度很差，巖體破碎。

2.2 工程特征

各竜隧道圍巖在施工過程中，特別是軟弱圍巖地段，出現(xiàn)不同程度的變形和侵限，較大的變形主要集中在拱肩和拱腳部位，經(jīng)過現(xiàn)場測量觀察，最大變形處為起拱線以下連接板處，變形量平均為60～80cm，導(dǎo)致起拱線以下連接板處欠10～30cm。為了查找圍巖大變形產(chǎn)生的原因，確保后續(xù)隧道施工安全經(jīng)濟。西安建筑科技大學(xué)隧道研究所受渭武高速10標項目經(jīng)理部委托對隧道圍巖大變形進行試驗研究，以此研究發(fā)現(xiàn)隧道圍巖大變形的機理和應(yīng)對措施。

2.3 研究目的

以各竜隧道現(xiàn)場試驗，查明渭武高速10標各竜隧道圍巖大變形的部位和數(shù)量；采集圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)，為判斷圍巖大變形的成因分析提供必要的數(shù)據(jù)支持。以采集得到的室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)，初步分析各竜隧道圍巖大變形的分布規(guī)律，為進一步研究分析圍巖大變形機理提供必要的數(shù)據(jù)支持。

3 現(xiàn)場試驗監(jiān)測方法

為保證現(xiàn)場各竜隧道施工不受干擾和海量數(shù)據(jù)的遠程采集，本文采用無線自動化監(jiān)測手段對各竜隧道施工期圍巖變形、結(jié)構(gòu)受力等信息進行采集。

（1）監(jiān)測設(shè)備。針對各竜隧道工程，本文采用一套基于遠程自動化監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進的無線傳輸技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)，將B/S技術(shù)和C/S技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)監(jiān)測與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)融合，突破了數(shù)據(jù)傳輸空間限制。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)高頻率數(shù)據(jù)采集，并通過電腦等終端的IE瀏覽器，隨時隨地對監(jiān)測信息查詢。該采集系統(tǒng)具有很高的性價比，可替代大多數(shù)土木工程的傳統(tǒng)人工監(jiān)測。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)遠程自動化采集，并將數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺發(fā)布，實現(xiàn)WEB和移動客戶端實時查詢，并對監(jiān)測到的超限數(shù)據(jù)及時發(fā)布報警信息。其具有：（1）自動采集云服務(wù)；（2）遠程實時監(jiān)控；（3）WEB平臺及移動客戶端APP查看；（4）短信報警功能；（5）低成本、高精度、組網(wǎng)方便。

（2）現(xiàn)場監(jiān)測點布置。為了更好地分析和研判隧道圍巖的變形機理，本文擬在ZK253+8m斷面布設(shè)應(yīng)力、位移等傳感元件，斷面的測點布置如圖1所示?？紤]到現(xiàn)場施工環(huán)境的復(fù)雜性，監(jiān)測斷面的選擇和應(yīng)力元件的安設(shè)具體位置將根據(jù)現(xiàn)場實際狀況做出適當(dāng)調(diào)整。

圖1 典型斷面測點布置示意圖

測點布置說明：①初次襯砌土壓力計共計8個，其表示方式為：Y1-1、Y2-1、Y3-1、Y4-1、Y5-1、Y6-1、Y7-1、Y8-1；②二次襯砌土壓力計共計8個，其表示方式為：Y1-2、Y2-2、Y3-2、Y4-2、Y5-2、Y6-2、Y7-2、Y8-2；③安置在拱架上的鋼筋計共計8個，其表示方式為：G-1、G-2、G-3、G-4、G-5、G-6、G-7、G-8；④在拱頂、拱肩和拱腳處各安裝一個位移計共計3個，其表示方式為：W1、W2、W3；⑤在拱頂、拱肩和拱腳處各安裝一個錨桿測力計共計3個，其表示方式為：M-1、M-2、M-3。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 錨桿軸力分析

ZK253+800斷面左、右拱腳錨桿軸力時程變化曲線分別如圖2和圖3所示，由圖2、圖3可知，靠近山體一側(cè)（左拱腳）的錨桿受力較大，且錨桿上第一個測點（M1-3-1），也就是接近圍巖臨空面處的受力最大，且為拉力，其最大值達到了385.71kN，整體來看，3個測點都表現(xiàn)出了先增加后減小,最終趨于穩(wěn)定。從圖上還可以看出，本斷面下臺階開挖后，其受力會有一個比較大的突變，這是由于下臺階開挖后，約束被解除后，邊墻未能及時實施支撐所致，當(dāng)仰拱施工完畢，在閉合環(huán)的作用下其受力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。圖3中錨桿整體受力較圖2小。

圖2 ZK253+800斷面左拱腳錨桿軸力時程曲線

圖3 ZK253+800斷面右拱腳錨桿桿軸力時程曲線

4.2 初支與二襯圍巖壓力分析

4.2.1 初期支護圍巖壓力分析

從初期支護圍巖壓力分布圖（圖4）可知，在隧道拱部區(qū)域結(jié)構(gòu)受力較大，最大值出現(xiàn)在拱頂，其為1368.48kPa，隧道右側(cè)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力明顯大于其左側(cè)2倍還要多，右側(cè)拱腳處的圍巖壓力競超出左側(cè)15左右，這些數(shù)據(jù)足以說明了施工現(xiàn)場隧道拱部和右側(cè)拱腳附近區(qū)域內(nèi)首先發(fā)生大變形的原因，從地質(zhì)分布和地形來看，由于隧道設(shè)計為分離式小間距隧道，隧道右側(cè)部分為山體，左側(cè)為另一洞室，造成了結(jié)構(gòu)近似單壓的受力狀態(tài)，故此，隧道右側(cè)力學(xué)特征值較大。建議在后續(xù)設(shè)計中應(yīng)加強隧道外側(cè)邊墻結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4 初期支護圍巖壓力分布（kPa）

4.2.2 仰拱圍巖壓力分析

圖5為測量斷面仰拱處圍巖壓力時程曲線，由圖5可看出,仰拱中部和右側(cè)下面的土壓力盒受力比較大，這一點也可在圖4中得到驗證，說明此處受力較為異常，應(yīng)在后續(xù)施工中加強必要的施工措施。仰拱土壓力盒也表現(xiàn)出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。仰拱在提高邊墻抵抗變形能力以及保持隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定方面,依然有著不可替代的作用,盡早施作仰拱，加快支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，這對于控制圍巖變形有極大的意義。

圖5 ZK253+800斷面仰拱各測點壓力時程曲線

圖6為測量斷面二襯結(jié)構(gòu)圍巖壓力時程曲線，從圖6中可知，襯砌拱頂處受力最小，拱腰受力相對較大，其分布形態(tài)呈明顯的馬鞍形分布，這較符合隧道結(jié)構(gòu)受力特性。但考慮到二襯主要作為安全儲備使用，不應(yīng)承受很大的力，但本次監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示二襯拱腰受力相對較大，可推斷為初期支護未能完全抑制住圍巖的大變形，致使二襯也承受了較大的荷載，這與上述結(jié)論也較為一致。

圖6 二襯結(jié)構(gòu)各測點圍巖壓力時程曲線

4.3 巖體深層位移分析

圖7為測量斷面圍巖內(nèi)部位移時程曲線，從圖7中可以看出ZK253+800斷面左側(cè)拱腳部位位移變化的趨勢，前8d位移變形量增速較快，前5d基本處于線性增長，之后增速有所下降，到第8d位移增加速率又突然加大，結(jié)合現(xiàn)場施工，這是由于該斷面下臺階開挖導(dǎo)致，其之后位移量緩慢增加，變形速率較緩，最終穩(wěn)定后的位移最大值為151.68mm。

圖7 圍巖內(nèi)部位移時程曲線

5 結(jié)論

本文結(jié)合實際工程，應(yīng)用自動化監(jiān)測手段完成了隧道施工期間的圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力特性的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了對現(xiàn)場施工零干擾的數(shù)據(jù)采集工作，并應(yīng)用數(shù)據(jù)分析得到了以下結(jié)論：

（1）本文應(yīng)用自動化數(shù)據(jù)采集與遠程控制系統(tǒng)，順利地完成了大斷面公路

隧道施工期間海量數(shù)據(jù)的采集工作，并實現(xiàn)了對現(xiàn)場施工的零干擾；

（2）由本文數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場施工可知，施工現(xiàn)場隧道拱部和右側(cè)拱腳附近區(qū)域內(nèi)首先發(fā)生大變形的原因。從地質(zhì)分布和地形來看，由于隧道設(shè)計為分離式小間距隧道，隧道右側(cè)部分為山體，左側(cè)為另一洞室，造成了結(jié)構(gòu)近似單壓的受力狀態(tài)，建議在后續(xù)設(shè)計中應(yīng)加強隧道外側(cè)邊墻結(jié)構(gòu)尺寸；

（3）仰拱中部和右側(cè)下面的土壓力盒受力比較大，說明此處受力較為異常，應(yīng)在后續(xù)施工中加強必要的施工措施；

（4）襯砌拱頂處受力最小，拱腰受力相對較大，其分布形態(tài)呈明顯的馬鞍形分布，這較符合隧道結(jié)構(gòu)受力特性。但考慮到二襯主要作為安全儲備使用，不應(yīng)承受很大的力，但本次監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示二襯拱腰受力相對較大，可推斷為初期支護未能完全抑制住圍巖的大變形，致使二襯也承受了較大的荷載；

（5）隧道圍巖變形發(fā)展較快，累計變形量較大，建議施工期間加強圍巖監(jiān)控量測，必要時加強結(jié)構(gòu)支護參數(shù)，仰拱緊跟。

[1]劉高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（z2）：5521-5526.

[2]葉康慨.木寨嶺隧道火坪有軌斜井施：IJ大變形段分析及處理技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2010，30（2）：190-194.

[3]鄒猻，王超朋，張文新.蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段應(yīng)力控制試驗研究[J].隧道建設(shè)，2010，30（2）：121-124.

[4]王運金.九嶺山隧道塌方治理及塌方治理效果檢測[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45（6）：82-86.