譚 啟

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與建筑工程學(xué)院，安徽 合肥 230051)

我國地形地貌以山地丘陵為主，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，各種地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，公路隧道建設(shè)難度大。[1]因此，作為高速公路的重要組成部分，公路隧道工程的設(shè)計計算理論和修建技術(shù)一直是我國公路界高度關(guān)注的問題之一。[2]其中，隧道圍巖的失穩(wěn)因素量測與研究是保證公路隧道工程施工正常進(jìn)行的重要措施。通常通過隧道圍巖現(xiàn)場控制測量的方法，了解與掌握圍巖的動態(tài)變化與應(yīng)力分布情況，為圍巖穩(wěn)定性提供相應(yīng)的量測結(jié)果。[3]同時，研究發(fā)現(xiàn)通過雙目立體視覺測量支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況能夠確定合理的支護(hù)時間，對隧道的安全作業(yè)具有重要意義。[4]本文以磨山隧道為研究對象，對其拱頂下沉和周邊位移收斂、混凝土層應(yīng)力及錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)控量測，通過數(shù)據(jù)處理得到圍巖在開挖過程中的動態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)信息，為確保施工安全與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定提供參考。

1 隧道施工設(shè)計方案概述

1.1 工程概況

磨山隧道位于安徽安慶市境內(nèi)，屬于低山丘陵地貌區(qū)。[5]磨山隧道設(shè)計為左右線分離的平行雙洞，測量軸線相距30 m，隧道中線相距39.50 m。隧道開縣端洞口段位于曲線(左線R=311.8 m，右線R=414.22 m)上，其余地段均為直線。磨山走向呈北動—南西向，橫跨長崗嶺，區(qū)內(nèi)海拔最高約860 m，最低高程約380 m，相對高差約480 m，受構(gòu)造影響，局部形成支狀沖溝。

(1)隧道工程地質(zhì)評價

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》有關(guān)隧道圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，隧道區(qū)圍巖類別可以分為Ⅱ～Ⅴ類圍巖。洞口段圍巖受淺埋和風(fēng)化影響，為Ⅱ類圍巖；Ⅲ類圍巖主要為洞身段泥巖夾砂巖和薄層砂巖夾頁巖段；Ⅳ類圍巖為洞身深埋段厚層狀泥巖、砂巖；Ⅴ類圍巖為洞身深埋段巨厚層狀、砂巖。

(2)洞身段穩(wěn)定性評價

通過資料調(diào)查與現(xiàn)場考證，可以推斷隧道的洞身地面山體穩(wěn)定，不存在斷裂、破碎的區(qū)域，地下水存儲量少對隧道影響較低。隧道軸線與巖層走向呈大角度(80°)相交，穿越巖性砂巖、泥巖、頁巖的不等厚互層。洞身段圍巖完整性較好，裂隙不發(fā)育。但在砂巖與泥巖、頁巖與泥巖、砂巖與頁巖的交錯區(qū)域的穩(wěn)定性較差。通過統(tǒng)計總結(jié)出隧道失穩(wěn)的主要影響因素包括：圍巖巖體的結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、巖體的應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 監(jiān)測技術(shù)實施

實驗的監(jiān)測技術(shù)實施方案，一方面，為了判斷隧道主體及其圍巖的穩(wěn)定性，通過地質(zhì)考察與現(xiàn)場調(diào)查的方式對隧道開挖面前方的地質(zhì)和隧道支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行量測。另一方面，在前人的研究基礎(chǔ)上，[6]進(jìn)行了圍巖剖面監(jiān)測位置布置，如圖1所示。

圖1 隧道截面測點布置圖

(1)拱頂下沉和周邊位移收斂量測

首先，在監(jiān)測方案實施中，為確認(rèn)隧道支護(hù)的效果和預(yù)防突發(fā)性拱頂崩塌事故，確保施工作業(yè)效率與工程質(zhì)量，對拱頂下沉量進(jìn)行的檢測。而周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映。[7]為了保證量測結(jié)果具有真實性，分別按照表1設(shè)置拱頂下沉和周邊位移的量測頻率。拱頂下沉和周邊位移采用非接觸量測技術(shù)進(jìn)行量測，以消除人為因素對量測精度的影響，斷面內(nèi)空收斂和拱頂下沉的監(jiān)測周期分別為100天和250天。

表1 拱頂下沉與周邊位移量測頻率

(2)初期支護(hù)及二次襯砌混凝土應(yīng)力量測

其次，為了準(zhǔn)確判斷隧道圍巖長期的穩(wěn)定性能，分別對初期支護(hù)與二次襯砌混凝土應(yīng)力進(jìn)行量測。其中，初期支護(hù)是圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測的初始時刻，而二次襯砌混凝土質(zhì)量則反映隧道使用壽命的關(guān)鍵因素。如圖1所示，分離式單洞隧道每個斷面在初期支護(hù)中布置9個混凝土應(yīng)變計，在二次襯砌混凝土內(nèi)布置9個混凝土應(yīng)變計。整體式雙連拱隧道每個斷面在初期支護(hù)中布置14個混凝土應(yīng)變計，在二次襯砌混凝土內(nèi)布置20個混凝土應(yīng)變計，監(jiān)測周期為20天。

(3)錨桿軸應(yīng)力量測

最后，為了判斷隧道圍巖形變的發(fā)展趨勢，為應(yīng)急預(yù)案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。采用錨桿應(yīng)力量測的方式，對圍巖內(nèi)部強度進(jìn)行監(jiān)測。按照圖1中錨桿應(yīng)力監(jiān)測點進(jìn)行錨桿布置，安裝后根據(jù)監(jiān)測周期檢查錨桿的安裝質(zhì)量、注漿效果和長期受力(承載)情況。分離式單洞隧道選取的斷面右側(cè)拱肩布置1根，設(shè)3個測點，監(jiān)測周期為20天。

2 隧道施工監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 量測斷面內(nèi)空收斂及拱頂下沉監(jiān)控

斷面內(nèi)空收斂及拱頂下沉數(shù)據(jù)，見圖2和圖3。從實際量測結(jié)果看，因為人為因素與測試環(huán)境的差異，導(dǎo)致量測結(jié)果存在偶然波動(偶然誤差)數(shù)據(jù)分布情況，對后期的數(shù)據(jù)分析與穩(wěn)定性預(yù)測存在較大的干擾。據(jù)此根據(jù)量測結(jié)果，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸分析。[8]

圖2 內(nèi)空收斂回歸曲線圖

圖3 拱頂下沉回歸曲線圖

(1)內(nèi)空收斂回歸曲線

如圖2所示，為內(nèi)空收斂回歸曲線圖。由計算可得，內(nèi)空收斂量回歸曲線方程為：

y=-3x5×10-8+7x4×10-6-4x3×10-4-8.8x2×10-3+1.3204x-0.4461

根據(jù)回歸方程，內(nèi)空收斂量(μ/mm)與時間(t/d)的關(guān)系為：

μ1=-3t5×10-8+7t4×10-6-4t3×10-4-8.8t2×10-3+1.3204t-0.4461

則其一介導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別為：

μ＇1=-15t4×10-8+28t3×10-6-12t2×10-4-17.6t×10-3+1.3204

μ＇＇1=-60t3×10-8+84t2×10-6-24t×10-4-17.6×10-3

經(jīng)計算，μ＇＇＇1恒小于0，所以μ＇＇1在定義域內(nèi)單調(diào)遞減，且當(dāng)t=0時，μ＇＇1=-17.6×10-3<0，所以當(dāng)t>0時，μ＇＇1<0恒成立。所以，當(dāng)t>0時，μ＇1單調(diào)遞減，μ＇1最大值為1.3204 mm/d，即內(nèi)空收斂最大速率為1.3204 mm/d，且隨著時間增加，內(nèi)空收斂速率逐漸減小，與實際量測結(jié)果一致。根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范(GTJD 70-2004)規(guī)定，隧道圍巖周邊收斂速率為0.1～0.2 mm/d時，變形基本穩(wěn)定。令μ＇1<0.1mm/d，結(jié)果取整數(shù)值，計算可得，t=39時，μ＇1=0.106mm/d，t=40時，μ＇1=0.088mm/d，由μ＇1單調(diào)遞減的性質(zhì)，可以判斷出，從第40天開始，斷面的內(nèi)空收斂速率μ＇1<0.1mm/d。即開挖40天后，該斷面內(nèi)空收斂趨于穩(wěn)定。

(2)拱頂下沉回歸曲線

如圖3所示，為拱頂下沉回歸曲線圖。由計算可得，拱頂下沉量回歸曲線方程為：

y=3.8592Ln(x)-2.6694

根據(jù)回歸方程，拱頂下沉量(μ/mm)與時間(t/d)的關(guān)系為：

μ2=3.8592Ln(t)-2.6694

求出其一介、二階導(dǎo)數(shù)，分別為：

2.2 量測斷面噴層應(yīng)力監(jiān)控

此外，隧道初期支護(hù)噴射混凝土與圍巖之間存在接觸應(yīng)力，通過測定應(yīng)力值可以直觀反映噴層與圍巖的作用特征與支護(hù)效果。[7]噴層應(yīng)力可以分為切向和徑向兩個方向的應(yīng)力。為了全面分析斷面噴層的應(yīng)力分布分別對切向和徑向進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

(a)切向

如圖4所示，隧道開挖7天后噴層不同測點(左拱肩、拱頂和右拱肩)切向的應(yīng)力值開始增大，說明隧道需要加強支護(hù)以防止斷面的形變。而在徑向方向左拱肩和拱頂?shù)膽?yīng)力值在14天開始急劇增大，右拱肩應(yīng)力值在10天出現(xiàn)峰值，說明右拱肩是監(jiān)測斷面圍巖與噴層接觸應(yīng)力最大值所處區(qū)域。

2.3 斷面錨桿軸力監(jiān)控

錨桿軸力測評能夠反映隧道斷面不同深度土層(圍巖節(jié)理)形變所產(chǎn)生的應(yīng)力作用。對錨桿軸力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，繪制出錨桿上部、錨中上部和錨桿下部的軸力與時間關(guān)系圖，見圖5。

從圖5可以看出，隧道斷面圍巖的右拱肩區(qū)域均處于受壓狀態(tài)。隨著工況時間的延長錨桿不同深度位置的應(yīng)力逐漸增大。其中，隨著錨桿深度的增加，應(yīng)力值產(chǎn)生的時間越晚，在開挖5天后錨桿中部的應(yīng)力值超過錨桿上部的應(yīng)力值，說明該區(qū)域的可能受到圍巖內(nèi)部節(jié)理的影響導(dǎo)致變化，[9]而在開挖15天后應(yīng)力值達(dá)到平衡狀態(tài)，與斷面噴層徑向應(yīng)力變化狀態(tài)一致，說明此刻圍巖形變處于穩(wěn)定。

圖5 斷面右拱肩錨桿軸力與時間關(guān)系圖

2.4 施工建議

(1)洞口軟弱圍巖淺埋地段

在隧道洞口軟弱圍巖淺埋地段，隧道圍巖的穩(wěn)定性較差，因此建議采用短臺階法進(jìn)行施工，一方面提升開挖面的穩(wěn)定性；另一方面提高隧道土方的開挖速度，為超前支護(hù)提供便利條件。同時，在施工支護(hù)上采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和錨桿聯(lián)合支護(hù)，對圍巖穩(wěn)定性較差的區(qū)域進(jìn)行補強，保證施工安全。

(2)洞身地段

根據(jù)隧道圍巖特征以及開挖后的應(yīng)力分布情況，建議洞身Ⅲ類圍巖地段采用臺階法開挖；Ⅳ、Ⅴ類圍巖地段可采用全斷面開挖法施工。

(3)支護(hù)時間

根據(jù)隧道斷面內(nèi)空收斂及拱頂下沉情況，在開挖第5天應(yīng)該進(jìn)行支護(hù)加固。

3 結(jié)論

通過磨山隧道新奧法監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及綜合分析，發(fā)現(xiàn)拱頂下沉和周邊位移收斂量測、初期支護(hù)及二次襯砌混凝土應(yīng)力量測和錨桿量測能較好地跟蹤監(jiān)測隧道周邊的變形過程，具體結(jié)論如下：

(1)對同一測線，隨著土層深度的增加形變量越小，所產(chǎn)生應(yīng)力越小；

(2)隧道圍巖的凈空收斂包含三個階段：急劇變形期、緩慢變形期和基本穩(wěn)定期；

(3)當(dāng)圍巖變形速率小于0.1 mm/d時，隧道圍巖即進(jìn)入基本穩(wěn)定期，以此作為圍巖穩(wěn)定的判定準(zhǔn)則是合理的；

(4)從噴層應(yīng)力和應(yīng)力與時間變化曲線看出，噴層徑向應(yīng)力小于切向應(yīng)力，徑向噴層應(yīng)力小于0.062MPa，斷面處的錨桿長度等參數(shù)符合底層條件，能及時起到支護(hù)作用。