公路隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度研究

彭 飛，袁崠洋

(浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 311305)

監(jiān)控量測(cè)作為“新奧法”施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)監(jiān)測(cè)隧道施工安全、控制指導(dǎo)動(dòng)態(tài)施工具有重要的作用[1]。隧道洞內(nèi)位移是監(jiān)控量測(cè)中最重要、最具代表性的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一[2]，實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)需準(zhǔn)確的采集隧道的位移數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性依賴于監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)的牢固性及合理性，現(xiàn)行規(guī)范[3]中關(guān)于測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)規(guī)定應(yīng)牢固、可靠、易于識(shí)別，應(yīng)能真實(shí)地反應(yīng)圍巖、支護(hù)的動(dòng)態(tài)變化信息。洞內(nèi)必測(cè)項(xiàng)目各測(cè)點(diǎn)宜埋入圍巖中，深度不應(yīng)小于0.2m，不應(yīng)焊接在鋼支撐上，外露部分應(yīng)有保護(hù)裝置。規(guī)范中雖對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度有大致要求，但對(duì)于不同圍巖等級(jí)情況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深的選取并未做出明確限定，0.2m埋深監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度是否適用于所有地質(zhì)狀況未知。針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題，首先進(jìn)行不同等級(jí)圍巖開(kāi)挖模擬計(jì)算，分析隧道圍巖位移變化情況。然后開(kāi)展基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同埋設(shè)深度的公路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，對(duì)比圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最佳埋深，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度的優(yōu)化。

1 依托工程概況

杭紹臺(tái)高速公路全長(zhǎng)約162.3km，設(shè)計(jì)速度100km/h，沿線多為山區(qū)，隧道所占比例較高。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共選取了平水隧道、車頭隧道、玄風(fēng)嶺隧道、高湖頭隧道、陳家山隧道、鏡嶺隧道，隧道設(shè)計(jì)為分離式雙向四車道，斷面開(kāi)挖最大跨度為11.6m，最大高度7.3m，開(kāi)挖面積約89.9m2。

2 隧道拱頂下沉數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬的方法，分析隧道開(kāi)挖時(shí)拱部不同深度的圍巖位移值，了解圍巖位移規(guī)律。采用Midas GTS/NX巖土有限元數(shù)值模擬分析軟件，進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

隧道采用復(fù)合式襯砌支護(hù)方式，各類圍巖條件下支護(hù)參數(shù)如表1所示。

支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的選取按照剛度等效原則，將噴砼、鋼架、鋼筋網(wǎng)統(tǒng)一折算稱為噴混。在剛開(kāi)始施工時(shí)噴混剛度較小，但是施工后期隨著材料的硬化，噴混的剛度會(huì)逐漸的增大。為了模擬這一過(guò)程，在計(jì)算時(shí)將噴混分為軟噴和硬噴，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

此次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)采用的是《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的BQ分類法，該分類標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始地應(yīng)力等的綜合影響，是一個(gè)綜合性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)隧道圍巖等級(jí)有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種，結(jié)合勘察試驗(yàn)情況，各類圍巖力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬結(jié)果分析

模擬得到不同圍巖等級(jí)條件下，隧道垂直方向位移云圖1～圖3。

圖1 Ⅲ級(jí)圍巖豎直方向位移云圖

圖2 Ⅳ級(jí)圍巖豎直方向位移云圖

圖3 Ⅴ級(jí)圍巖豎直方向位移云圖

由模擬位移云圖可知，在垂直方向上，不同埋深處的圍巖位移量明顯的不同，表現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象，表明巖體位移具有一定的空間效應(yīng)；隨著隧道圍巖等級(jí)的變化，在隧道拱頂位置，分層位移區(qū)域范圍不斷的變化。模擬計(jì)算表明，隧道拱頂圍巖位移值與所研究處的圍巖等級(jí)、研究點(diǎn)位置埋深有一定的關(guān)系。因此，為了更加真實(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)巖體的位移情況，需要針對(duì)不同的圍巖等級(jí)選擇不同的測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度。

3 隧道拱頂下沉現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，進(jìn)行隧道拱頂下沉現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。選取地質(zhì)情況較復(fù)雜的隧道作為本次試驗(yàn)對(duì)象。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖各9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)一共分為以下三步：

1)選定測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置。同一監(jiān)測(cè)斷面共計(jì)4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以隧道拱頂中心線為對(duì)稱軸，左右兩側(cè)均勻分布，間隔20cm，采用紅色噴漆現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)注(見(jiàn)圖4)。

2)鉆測(cè)點(diǎn)埋設(shè)孔。隧道開(kāi)挖后，在測(cè)點(diǎn)位置采用沖擊鉆垂直向上鉆孔，測(cè)孔孔徑42mm，孔深分別為20cm、30cm、40cm、50cm。鉆孔時(shí)盡量保證測(cè)孔沿著垂直方向。

3)安裝測(cè)試器件。埋設(shè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，選用有足夠剛度和強(qiáng)度的螺紋鋼筋作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)材料。在鋼筋端部焊接邊長(zhǎng)為4cm的正方形鐵片，并用砂紙將鐵片表面打磨光滑，然后粘貼反光片。采用強(qiáng)度為M8的砂漿作為錨固劑，為了較為真實(shí)的反映不同深度巖體的位移變化情況，在錨固時(shí)僅對(duì)監(jiān)測(cè)器件的端部進(jìn)行錨固，錨固范圍為5cm(見(jiàn)圖5)。現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況如圖6所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)錨固

在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)100m處埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)拱頂各點(diǎn)的沉降情況。當(dāng)砂漿強(qiáng)度達(dá)到其最終強(qiáng)度的70%，采用全站儀進(jìn)行拱頂下沉的監(jiān)測(cè)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)情況

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果處理與分析

4.1 回歸分析函數(shù)

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，隨著掌子面掘進(jìn)距離和時(shí)間的推移圍巖變化會(huì)不斷發(fā)展并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。通過(guò)對(duì)這一規(guī)律的研究有助于掌握圍巖的變形特征。拱頂沉降曲線是呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸的收斂趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，圍巖的變形在隧道開(kāi)挖的初始階段變化的較快，變化速率也較大，隨著隧道開(kāi)挖的逐漸推進(jìn)，圍巖的變形速率逐漸的變緩。目前，專家學(xué)者們通過(guò)對(duì)大量的隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析后普遍指出，對(duì)數(shù)函數(shù)能較好的反映拱頂下沉趨勢(shì)[4-6]。

對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)公式(1)

(1)

Y=A+BX

(2)

對(duì)于系數(shù)A、B，可用最小二乘法估計(jì)得到

(3)

(4)

相關(guān)系數(shù)R2

R=

(5)

4.2 擬合結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同圍巖等級(jí)不同埋設(shè)深度的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合回歸分析，計(jì)算出擬合相關(guān)系數(shù)如表4～表6所示。

表4 Ⅲ級(jí)圍巖拱頂下沉量-時(shí)間擬合相關(guān)系數(shù)表

由表4可知，埋深20cm時(shí)R2為0.900 0；埋深30cm時(shí)R2為0.928 4；埋深40cm時(shí)R2為0.904 6；埋深50cm時(shí)R2為0.903 0。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋深為30cm時(shí)，數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)最大。因此，對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)入巖深度應(yīng)選30cm。

表5 Ⅳ級(jí)圍巖拱頂下沉量-時(shí)間擬合相關(guān)系數(shù)表

由表5可知，埋深20cm時(shí)R2為0.882 4；埋深30cm時(shí)R2為0.876 5；埋深40cm時(shí)R2為0.900 1；埋深50cm時(shí)R2為0.880 7。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋深為40cm時(shí)，數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)最大，較能反映圍巖的變形情況。因此，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)入巖深度應(yīng)選40cm。

表6 Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉量-時(shí)間擬合相關(guān)系數(shù)表

由表6可知，埋深20cm時(shí)R2為0.895 8；埋深30cm時(shí)R2為0.877 3；埋深40cm時(shí)R2為0.895 0；埋深50cm時(shí)R2為0.909 5。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋深為50cm時(shí)，數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)最大，較能反映圍巖的變形情況。因此，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)入巖深度應(yīng)選50cm。

5 結(jié)論

(1)不同埋深處圍巖位移具有一定的分層現(xiàn)象，表明圍巖位移具有空間性。

(2)給出了不同圍巖等級(jí)情況下拱頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合理埋設(shè)深度，建議Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度分別取30cm、40cm、50cm。