周 杰， 董建輝， 邱洪志

(1.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610039；2.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，在我國(guó)的山地公路或鐵路隧道建設(shè)中，淺埋的山嶺隧道較為常見(jiàn)[1].就淺埋隧道而言，其顯著特點(diǎn)就是埋深淺，圍巖自穩(wěn)性差，不能有效形成應(yīng)力拱，隧道開挖后初襯可能會(huì)承受巨大的圍巖壓力，如果支護(hù)設(shè)計(jì)不足或施工操作不當(dāng)，則易發(fā)生垮塌等安全事故[2-3].相關(guān)研究表明，在淺埋隧道施工過(guò)程中，影響圍巖變形的因素眾多，致塌機(jī)制復(fù)雜，加上基礎(chǔ)資料匱乏，導(dǎo)致隧道的施工安全控制難度極大[4-8].對(duì)此，本研究擬通過(guò)對(duì)河惠莞高速公路佳龍嶂隧道沖溝淺埋段隧道開挖過(guò)程中拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討淺埋隧道在開挖過(guò)程中的變形規(guī)律，擬為類似工程施工提供指導(dǎo).

1 工程概況

1.1 工程概述

廣州河惠莞高速公路佳龍嶂隧道為雙線分離式隧道，兩隧道間距約30 m.隧道地址位于低山地貌溝谷斜坡區(qū)域，隧道走向近乎垂直于山脊走向，隧道巖體主要為全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖.隧道里程樁號(hào)YK126+180～YK126+244段穿越?jīng)_溝淺埋段，其埋深僅8 m左右，表層為厚0.2～0.5 m的腐殖土.地層從上到下依次為粉質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體含有地下裂隙水.隧道淺埋段地質(zhì)情況如圖1、2所示.

圖1佳龍嶂隧道淺埋段地質(zhì)斷面圖

圖2佳龍嶂隧道I-I剖面圖

1.2 隧道淺埋垮塌處概況

在實(shí)際工程建設(shè)中，隧道按CD開挖法掘進(jìn)，2017年6月27日凌晨1∶00，當(dāng)隧道開挖至沖溝淺埋段YK126+237處時(shí)，右隧道左導(dǎo)洞拱頂發(fā)生塌方，此后拱頂間斷塌落，15 h后隧道已冒頂，地面形成了一個(gè)直徑約5 m的坑洞，總塌方體積約180 m3，具體如圖3所示.

圖3現(xiàn)場(chǎng)塌方示意圖

2 隧道變形監(jiān)測(cè)分析

2.1 監(jiān)控量測(cè)方案

本研究通過(guò)對(duì)隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面YK126+244與YK126+260監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，探究淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律.隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)布點(diǎn)方案為：在拱頂下沉及周邊位移監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)斷面按間距5～30 m不等埋設(shè)，因隧道沖溝淺埋段圍巖穩(wěn)定性較差，所以適當(dāng)加密布置，每隔5 m布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面增設(shè)下沉拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A′、C′和拱腰位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)b′.由于隧道開挖采用了CD法施工，當(dāng)先開挖左導(dǎo)洞上臺(tái)階時(shí)，布設(shè)拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)A′、A、C′以及位移監(jiān)測(cè)b-b′測(cè)線；隨后開挖右導(dǎo)洞上臺(tái)階時(shí)，布設(shè)拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C及周邊位移b′-b測(cè)線，原監(jiān)測(cè)點(diǎn)A′、C′及測(cè)線b-b′停止監(jiān)測(cè)；開挖下臺(tái)階后，布設(shè)a-a測(cè)線.隧道洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示.

圖4隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)布點(diǎn)圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在下一開挖循環(huán)前完成布設(shè)并測(cè)取初始讀數(shù).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制位移時(shí)程曲線圖和位移速率時(shí)程曲線圖，當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)或速率曲線圖上升時(shí)，表明圍巖和支護(hù)狀態(tài)不穩(wěn)定，需及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，采取各種安全措施，必要時(shí)停止掘進(jìn).

2.2.1 變形與時(shí)間分析.

隧道沖溝淺埋段監(jiān)測(cè)斷面YK126+244和YK126+260的拱頂下沉和周邊位移時(shí)程曲線如圖5～8所示.

圖5 YK126+244斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖6 YK126+244斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

圖7 YK126+260斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖8 YK126+260斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

1)監(jiān)測(cè)斷面YK126+244離坍塌位置縱向距離約7 m，受其影響最大，時(shí)程曲線大致可分為3個(gè)階段：加速變形階段(AB段)，隧道剛開挖成形，圍巖應(yīng)力分布發(fā)生急劇變化，拱頂下沉曲線表現(xiàn)出相對(duì)較大的斜率，但隨著時(shí)間的延續(xù)，變形逐漸趨于正常狀態(tài)，位移速率有所減緩，表現(xiàn)出減速變形的特征，該階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14 d，拱頂位移量達(dá)到24.0 mm，最大位移速率達(dá)到4 mm/d，洞身收斂b位移量達(dá)到7.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.4 mm/d；等速變形階段(BC段)，在初始變形的基礎(chǔ)上，在重力作用下，拱頂圍巖基本上以相近的速率繼續(xù)變形，因不時(shí)受到外界因素的干擾和影響，其變形曲線可能會(huì)有所波動(dòng)，但此階段累積位移曲線總體趨勢(shì)為傾斜直線，宏觀變形速率基本保持不變.該階段中位移量達(dá)到34.6 mm，最大位移速率達(dá)到1.2 mm/d，洞身收斂位移量達(dá)到7.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.2 mm/d；平穩(wěn)變形階段(CD段)，圍巖應(yīng)力分布基本達(dá)到平衡狀態(tài)，下沉曲線呈現(xiàn)出較小的斜率，位移速率曲線總體平緩，不斷減小，該階段中拱頂位移量達(dá)到37.0 mm，最大位移速率達(dá)到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達(dá)到6.0 mm，其中最大位移速率達(dá)到0.4 mm/d，表明圍巖變形已基本穩(wěn)定.前兩階段圍巖變形量占觀測(cè)期間總變形量的93%，因此需重點(diǎn)關(guān)注該兩個(gè)階段的圍巖變形.

2)監(jiān)測(cè)斷面YK126+260在加速變形階段持續(xù)時(shí)間為6 d，拱頂位移量達(dá)到10.2 mm，最大位移速率達(dá)到3.6 mm/d，洞身收斂b位移量達(dá)到4.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.3 mm/d；在等速變形階段期間，拱頂下沉變形速率突然呈現(xiàn)出不斷加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直至6月27日圍巖失穩(wěn)之前，變形速率曲線近于陡立，達(dá)到了3.0 mm/d，說(shuō)明加速變形階段是圍巖失穩(wěn)發(fā)生的基礎(chǔ)和前提，因此拱頂圍巖的加速變形階段對(duì)于隧道失穩(wěn)變形的預(yù)警預(yù)報(bào)具有十分重要的意義；坍塌穩(wěn)定后變形速率逐漸減小進(jìn)入平穩(wěn)變形階段，該階段中拱頂位移量達(dá)到35.6 mm，最大位移速率達(dá)到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達(dá)到8.6 mm，其中最大位移速率達(dá)到0.2 mm/d，表明圍巖變形已基本穩(wěn)定.

2.2.2 變形與開挖進(jìn)尺分析.

隧道掌子面里程與監(jiān)測(cè)斷面YK126+244拱頂下沉關(guān)系曲線圖如圖9所示.

因掌子面YK126+237坍塌停工，監(jiān)測(cè)斷面的圍巖得到了充足的變形時(shí)間，根據(jù)位移速率曲線圖可知已基本穩(wěn)定.待到7月15日繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)， 下沉曲線繼續(xù)緩慢增加，此時(shí)該斷面的拱頂下沉變形主要由掌子面的推進(jìn)所引起的，掌子面推進(jìn)到Y(jié)K126+206后，下沉曲線總體上呈水平，不再增加，表明從YK126+244到Y(jié)K126+206間的38m隧道掘進(jìn)對(duì)其拱頂下沉有影響.同樣，YK126+260斷面的拱頂下沉曲線在掌子面開挖至YK126+215后基本水平，此時(shí)距離YK126+260監(jiān)測(cè)斷面45 m.總體說(shuō)明掌子面的推進(jìn)將對(duì)距掌子面約40 m范圍內(nèi)的周邊圍巖變形產(chǎn)生持續(xù)影響.

圖9開挖進(jìn)尺與監(jiān)測(cè)斷面YK126+244拱頂下沉關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)具體工程實(shí)例，分析了淺埋隧道在掘進(jìn)中周邊圍巖的變形情況，得出如下結(jié)論：

1)YK126+237坍塌分別發(fā)生在監(jiān)測(cè)斷面YK126+260的等速變形階段和YK126+244的加速變形階段，YK126+244在加速變形階段的速率減小趨勢(shì)明顯小于YK126+260，加之YK126+260在等速變形階段的突然加速變形，綜合起來(lái)可作為隧道失穩(wěn)變形的預(yù)警預(yù)報(bào).

2)淺埋隧道開挖過(guò)程中，掌子面的推進(jìn)將對(duì)后方約40m范圍內(nèi)的周邊圍巖變形產(chǎn)生影響，開挖時(shí)應(yīng)持續(xù)關(guān)注該范圍內(nèi)的圍巖變形情況.

3)淺埋隧道圍巖變形曲線圖大致可分為加速變形、等速變形和平穩(wěn)變形3個(gè)階段.圍巖的主要變形發(fā)生在前2個(gè)階段，在該階段隧道最容易發(fā)生失穩(wěn)塌方、冒頂?shù)仁鹿?，因此，在?shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè).