姚新剛,劉加進(jìn),田迎春,徐 全

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

地下隧洞工程支護(hù)設(shè)計(jì)一般先通過工程類比初擬支護(hù)措施，再通過適當(dāng)?shù)睦碚撚?jì)算加以驗(yàn)證。但實(shí)際地質(zhì)條件與理論計(jì)算假定和類比工程地質(zhì)情況存在差異，因此在地下工程開挖支護(hù)過程中，需輔以現(xiàn)場監(jiān)控法來驗(yàn)證支護(hù)措施的合理性，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以保證地下工程的穩(wěn)定性[1～8]。為評估支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、合理性，進(jìn)而判斷隧洞工程的穩(wěn)定性，一般通過監(jiān)測圍巖變形、錨桿(索)應(yīng)力以及噴層裂縫開展情況，并對這些監(jiān)測值設(shè)置預(yù)警值來實(shí)現(xiàn)。本文首先總結(jié)了國內(nèi)外對于圍巖變形、錨桿(索)應(yīng)力的預(yù)警值相關(guān)規(guī)定，并分析其不足，進(jìn)而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 國內(nèi)外對變形、應(yīng)力預(yù)警值的規(guī)定

(1)變形預(yù)警值

表1—4歸納了國內(nèi)相關(guān)規(guī)范對于允許變形量和允許變形速率的相關(guān)規(guī)定。結(jié)合隧洞穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)以及二次支護(hù)實(shí)施時機(jī)，提出了變形預(yù)警值概念，國內(nèi)規(guī)范對于變形預(yù)警值的規(guī)定(見表5)。國內(nèi)規(guī)范通過總結(jié)大量地下工程實(shí)測變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成了不同埋深下針對不同圍巖類別的經(jīng)驗(yàn)允許位移相對值，以及允許變形速率。并通過設(shè)置70%～90%的允許位移相對值為預(yù)警值，設(shè)置允許變形速率為預(yù)警值，建立了隧洞穩(wěn)定和加強(qiáng)支護(hù)、觀測兩檔預(yù)警水平。《隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F60—2009)提供了二級預(yù)警值，建立了三檔預(yù)警水平。

國外規(guī)范對于變形預(yù)警值的規(guī)定較為少見，英國隧洞協(xié)會及土木工程師協(xié)會在《Tunnel Ling Design Guide》(2004年)[9]中收錄了日本學(xué)者SAKURAI(1997年)[10]的有關(guān)研究成果，通過關(guān)鍵應(yīng)變的概念定義了不同巖石強(qiáng)度下圍巖的允許變形范圍，建立了四檔預(yù)警水平，詳見圖1和表6所示。

圖1 隧洞穩(wěn)定變形預(yù)警值

表1 國內(nèi)規(guī)范對允許變形量和變形速率的規(guī)定

《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5099—2011)，地下洞室周邊允許位移相對值(見表2)。周邊位移相對值指兩測點(diǎn)間實(shí)測位移累計(jì)值與兩測點(diǎn)間距離之比，兩測點(diǎn)間相對位移也稱收斂值。《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50086—2015)，隧洞、洞室周邊允許相對收斂值(見表3)。洞周相對收斂量是指兩測點(diǎn)間實(shí)測位移值與兩測點(diǎn)間距離之比，或拱頂位移實(shí)測值與隧道寬度之比。《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5195—2004)，洞周允許相對收斂量(見表4)。表中允許位移值用相對值表示，指兩點(diǎn)間實(shí)測位移累計(jì)值與兩測點(diǎn)間距離之比。

(2)錨桿(索)應(yīng)力預(yù)警值

國內(nèi)規(guī)范對于錨桿(索)應(yīng)力預(yù)警值相關(guān)規(guī)定(見表4)，可見《隧道施工技術(shù)細(xì)則》比《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》更能提前預(yù)警錨桿受力，給組織加強(qiáng)支護(hù)預(yù)留時間。國外規(guī)范對于應(yīng)力預(yù)警值的規(guī)定較為少見。

表2 地下洞室周邊允許位移相對值(DL/T5099—2011)

表3 地下洞室周邊允許相對收斂值

表4 洞周允許相對收斂量

表5 國內(nèi)規(guī)范對于施工過程中變形預(yù)警值的規(guī)定

表6 允許徑向變形 (隧洞半徑5.0 m) cm

表7 國內(nèi)規(guī)范對錨桿(索)應(yīng)力預(yù)警值的規(guī)定

2 對現(xiàn)行規(guī)范預(yù)警值規(guī)定的分析

監(jiān)測在地下工程施工期間相當(dāng)于工程師的眼睛，一方面可以直觀地判斷隧洞穩(wěn)定性，檢驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，另一方面可以指導(dǎo)施工，提高施工安全度。監(jiān)測預(yù)警值設(shè)置是否合理對于施工進(jìn)度和施工安全影響很大。預(yù)警值過低，容易引起經(jīng)常性停工以加強(qiáng)報警區(qū)域的圍巖支護(hù)，進(jìn)而造成進(jìn)度滯后；預(yù)警值過高，容易引起報警滯后，隧洞安全裕度過小，從而造成施工安全問題。而留給現(xiàn)場加強(qiáng)支護(hù)處理的時間過短，甚至因?yàn)閬聿患凹訌?qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致隧洞出現(xiàn)安全問題。為保證隧洞穩(wěn)定性，需要更有效的加強(qiáng)支護(hù)措施。

筆者認(rèn)為現(xiàn)行國內(nèi)規(guī)范在兩個方面有待改進(jìn)，一是允許變形值準(zhǔn)確性不夠。雖然考慮了埋深和圍巖級別，并提出了高跨比適用條件，但不同隧洞的尺寸、地應(yīng)力水平和巖石本身特點(diǎn)千差萬別，規(guī)范建議的允許變形值難以準(zhǔn)確反映具體隧洞的情況，僅能作為一般性參考值。二是監(jiān)測預(yù)警的檔位不夠。絕大部分規(guī)范僅有兩檔預(yù)警，一檔認(rèn)為隧洞穩(wěn)定，不需要加強(qiáng)支護(hù)，另一檔認(rèn)為需要加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)認(rèn)為需要加強(qiáng)支護(hù)時，理論上隧洞已經(jīng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣的設(shè)置沒有預(yù)留足夠工程研究的時間，反應(yīng)過慢易引起隧洞穩(wěn)定問題。

3 監(jiān)測預(yù)警值設(shè)置研究

3.1 變形預(yù)警值

針對現(xiàn)行國內(nèi)規(guī)范在允許變形值和監(jiān)測預(yù)警檔位方面的問題，筆者在某中東抽蓄工程提出如下解決方法，已經(jīng)通過業(yè)主和德國工程師的審查，詳述如下。

(1)通過數(shù)值計(jì)算，對不同巖性、不同圍巖級別以及不同埋深的隧洞斷面進(jìn)行組合，提出各自的監(jiān)測預(yù)警值。中東抽蓄位于層狀的火成巖內(nèi)，發(fā)育有三種不同巖性，各自的單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量差別很大，因此需要在計(jì)算監(jiān)測預(yù)警值時加以區(qū)分。對于同一種巖性，埋深的選取以50 m為一檔。

(2)盡量優(yōu)化隧洞施工和監(jiān)測儀器安裝時機(jī)，保證計(jì)算所得監(jiān)測預(yù)警值與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取情況匹配。需模擬隧洞開挖和支護(hù)步序，并定義隧洞掌子面與監(jiān)測儀器的安裝間距。

(3)應(yīng)考慮對隧洞開挖輪廓外一定深度圍巖參數(shù)的折減。由于爆破擾動、開挖卸荷等因素影響，隧洞洞周的圍巖將受到擾動引起參數(shù)降低。

(4)變形允許值為安裝監(jiān)測儀器開始到隧洞穩(wěn)定期間的變形計(jì)算值。

(5)一般地圍巖參數(shù)為范圍值，取參數(shù)平均值計(jì)算所得變形值為變形允許值1，取參數(shù)下限值計(jì)算所得變形值為變形允許值2。由于參數(shù)平均值能代表大部分實(shí)際巖體參數(shù)，因此變形允許值1可以作為評判隧洞穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。而參數(shù)下限值對應(yīng)少部分巖體參數(shù)，因此變形允許值2可以作為實(shí)施特別支護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

(6)考慮巖石條件和數(shù)值模擬的不確定性，并為工程師研究處理措施、進(jìn)行施工組織預(yù)留時間，將變形允許值折減85%作為預(yù)警值。

(7)根據(jù)變形預(yù)警值1和2建立三檔預(yù)警機(jī)制。當(dāng)監(jiān)測變形小于變形預(yù)警值1，則認(rèn)為隧洞穩(wěn)定，可以正常施工；監(jiān)測變形大于變形預(yù)警值1，但小于變形預(yù)警值2時，應(yīng)加強(qiáng)觀測并分析原因，適當(dāng)采用錨噴等輕型加強(qiáng)支護(hù)措施；當(dāng)監(jiān)測變形大于與變形預(yù)警值2時，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)觀測和分析原因，并考慮實(shí)施鋼拱架等重型支護(hù)。

3.2 錨桿應(yīng)力預(yù)警值

(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力預(yù)警值1可以取70%的錨桿應(yīng)力設(shè)計(jì)值，應(yīng)力預(yù)警值2取錨桿應(yīng)力設(shè)計(jì)值。

(2)如果有圍巖穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算作為基礎(chǔ)，應(yīng)力預(yù)警值1可以取85%的計(jì)算值與70%的錨桿應(yīng)力設(shè)計(jì)值的較小值，應(yīng)力預(yù)警值2取錨桿應(yīng)力設(shè)計(jì)值。

(3)根據(jù)應(yīng)力預(yù)警值1和2建立三檔預(yù)警機(jī)制。當(dāng)監(jiān)測應(yīng)力小于應(yīng)力預(yù)警值1，則認(rèn)為錨桿受力在安全范圍內(nèi)；監(jiān)測應(yīng)力大于應(yīng)力預(yù)警值1，但小于應(yīng)力預(yù)警值2時，應(yīng)加強(qiáng)觀測并分析原因；當(dāng)監(jiān)測應(yīng)力大于與應(yīng)力預(yù)警值2時，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)觀測和分析原因，并考慮實(shí)施加強(qiáng)支護(hù)措施。

4 工程案例應(yīng)用

4.1 工程案例1——進(jìn)廠交通洞與1#支洞交叉口

如圖2所示，進(jìn)廠交通洞與1#支洞交叉口周邊隧洞立體交叉多，且受主變洞、尾調(diào)井大洞室開挖影響時間長，因此該交叉口的穩(wěn)定性需特別重視。如圖3所示，進(jìn)廠交通洞在2019年3月初開挖完成后變形逐漸趨緩，但在周邊1#支洞、3#～5#支洞和主變洞開挖影響下，變形持續(xù)增大。2019年12月1日在交叉口邊墻發(fā)現(xiàn)噴層裂縫，之后變形監(jiān)測值在2020年1月初突破預(yù)警值2，觸發(fā)加強(qiáng)支護(hù)的條件。據(jù)此對邊墻加密系統(tǒng)錨桿并掛網(wǎng)補(bǔ)噴，在2020年1月底施工完成。根據(jù)國內(nèi)規(guī)范表1所示，允許收斂變形量為7.85 m跨度的0.40%～1.20%(III類圍巖，埋深400 m)，即對于一側(cè)邊墻為15.6～46.8 mm。按照國內(nèi)規(guī)范，下游邊墻變形速率小于0.1 mm/d，且變形值在允許收斂變形范圍內(nèi)，無需進(jìn)行預(yù)警或加強(qiáng)支護(hù)，存在一定的安全隱患。

4.2 工程案例2——主變洞下游邊墻

如圖4所示，主變洞下游邊墻在2020年3月后變形逐漸趨于0，但在周邊及底部多條隧洞開挖影響下，于2020年4月變形速率開始增大為0.03～0.04 mm/d，且變形一直持續(xù)。根據(jù)國內(nèi)規(guī)范表1所示，允許收斂變形量為15.5 m跨度的0.40%～1.20%(III類圍巖，埋深400 m)，即對于一側(cè)邊墻為31～93 mm。按照國內(nèi)規(guī)范，下游邊墻變形速率小于0.1 mm/d，且變形值在允許收斂變形范圍內(nèi)，無需進(jìn)行預(yù)警并加強(qiáng)支護(hù)。

但在2020年8月16日下游邊墻拱肩發(fā)現(xiàn)噴層裂縫(見圖5)，且變形監(jiān)測值在2020年9月初突破預(yù)警值2，觸發(fā)加強(qiáng)支護(hù)的條件，工程師據(jù)此對邊墻加密系統(tǒng)錨桿，并在2020年9月底施工完成。

圖2 進(jìn)廠交通洞與1#支洞交叉口部位隧洞立體交叉

圖3 進(jìn)廠交通洞與1#支洞交叉口隧洞收斂監(jiān)測曲線

圖4 主變洞下游邊墻多點(diǎn)變位計(jì)變形-時間關(guān)系曲線

圖5 主變洞下游邊墻拱肩噴層裂縫

5 結(jié) 論

國內(nèi)規(guī)范根據(jù)大量的隧洞監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)性地提出了允許位移相對值以及允許變形速率，建立了兩檔預(yù)警水平。國外規(guī)范通過關(guān)鍵應(yīng)變的概念定義了不同巖石強(qiáng)度下圍巖的允許變形范圍，建立了四檔預(yù)警水平?，F(xiàn)行規(guī)范的允許變形值為統(tǒng)計(jì)值，難以準(zhǔn)確反映隧洞具體的情況，僅能作為一般性參考值。建議在數(shù)值計(jì)算中考慮埋深、巖性和圍巖級別的不同組合，模擬開挖支護(hù)步序，優(yōu)化監(jiān)測儀器安裝時機(jī)，計(jì)算得到變形允許值，并折減85%作為預(yù)警值，建立三檔預(yù)警水平。最后，隧洞的穩(wěn)定性評價一般應(yīng)綜合變形監(jiān)測值、變形速率、錨桿應(yīng)力及應(yīng)力增長速率等進(jìn)行綜合判斷，同時還應(yīng)重視觀察噴層的裂縫開展情況，從而更客觀、全面的評估隧洞穩(wěn)定性。