顏富宇,朱自強(qiáng),魯光銀,董 潔

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 前 言

目前,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求越來(lái)越大,在許多地區(qū)進(jìn)行淺埋隧道的施工難以避免。淺埋隧道在其洞口段常常存在偏壓、上覆地層風(fēng)化嚴(yán)重等不良因素,容易引起安全事故[1-2]。淺埋隧道變形監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是地表、圍巖、初支和二次襯砌等方面。王祥秋等[3]對(duì)隧道進(jìn)行了拱頂下沉和周邊位移收斂監(jiān)測(cè),并對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果,總結(jié)偏壓隧道圍巖變形規(guī)律;徐望國(guó)等[4]對(duì)使用CRD開挖的淺埋偏壓隧道進(jìn)行圍巖變形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢測(cè);岳向紅等[5]對(duì)松軟地層暗挖隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),總結(jié)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的變形特征;朱小堅(jiān)[6]依托錦所隧道項(xiàng)目,對(duì)隧道進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)在采用雙側(cè)壁法開挖施工過(guò)程中,需要在第一個(gè)導(dǎo)洞施工時(shí)沉降量特別大,需要及時(shí)支護(hù);楊波等[7]對(duì)淺埋偏壓隧道的初支和二次襯砌進(jìn)行檢測(cè),研究發(fā)現(xiàn)受力方面,存在偏壓現(xiàn)象;王樂(lè)平[8]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,對(duì)隧道圍巖應(yīng)力、邊坡水平位移及支護(hù)變形等進(jìn)行了監(jiān)測(cè);代樹林等[9]通過(guò)對(duì)回頭溝隧道地表及圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),總結(jié)分析偏壓隧道變形規(guī)律;徐劍波等[10]不僅對(duì)圍巖變形監(jiān)測(cè),還對(duì)鋼支撐壓力、錨桿軸力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

本文以楊梅隧道為研究對(duì)象,對(duì)地表下沉、周邊位移收斂、拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)比分析地表下沉與拱頂下沉的關(guān)系,分析隧道及地表的變形特征,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提出洞口治理建議,為類似的淺埋偏壓隧道安全施工提供依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

楊梅隧道位于吉安市安?？h嚴(yán)田鎮(zhèn)楊梅村附近,為一座分離式隧道。隧道左線起訖樁號(hào)為ZK54+850～ZK55+460,全長(zhǎng)610 m。隧道右線起訖樁號(hào)為YK54+865～YK55+425,全長(zhǎng)560 m。隧道區(qū)位于武功山隆起構(gòu)剝蝕低山丘陵盆地的東南側(cè),屬于構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū),受萍鄉(xiāng)—廣豐區(qū)域斷裂帶構(gòu)造控制,區(qū)內(nèi)地層及山脈總體呈北東向伸展,隧道走向與山脊的走向成大角度相交,沿洞軸線最大地面標(biāo)高約為364.20 m,地形起伏,隧道進(jìn)洞口位于斜坡地段,山體自然邊坡20°～30°,坡體被第四系覆蓋層所覆蓋,植被以根系發(fā)達(dá)的樹木為主,通視條件較差;隧道出洞口位于山體斜坡地帶,自然斜坡約為20°～30°左右,山體植被茂密,通視條件差。隧道區(qū)內(nèi)微地貌發(fā)育,主要為山脊、山體斜坡及埡口。隧道區(qū)的地表水系發(fā)育,山坡多為雨季降水形成的季節(jié)性面流,溝谷地可能形成短暫季節(jié)性洪流。區(qū)內(nèi)地表最大的水體為進(jìn)洞口發(fā)育的山間溪流,水流量大。

2 圍巖及仰坡變形

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),在ZK54+865等斷面拱頂快速下沉,最大日沉降量為13.6 mm,隧道中線左側(cè)出現(xiàn)環(huán)向開裂,并有向拱頂延伸的趨勢(shì),地表出現(xiàn)裂縫,最大日沉降量為12.4 mm,地表裂縫。隧道穩(wěn)定性較差,容易發(fā)生更大的裂縫,甚至發(fā)生坍塌等災(zāi)害。

3 失穩(wěn)因素及處理措施

3.1 地層巖性

隧道所在區(qū)域主要泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(D3x),巖性主要為頁(yè)巖、灰?guī)r。隧道區(qū)地層產(chǎn)狀為100°～150°∠15°～35°,與隧道軸線呈大角度相交,巖性以較軟巖為主,裂隙非常發(fā)育,巖體較破碎。在隧道進(jìn)洞口全風(fēng)化頁(yè)巖夾灰?guī)r及黏土,地形起伏,隧道進(jìn)洞口位于斜坡地段,山體自然邊坡20°～30°,坡體被第四系覆蓋層所覆蓋;隧道出洞口位于山體斜坡地帶,自然斜坡約為20°～30°左右。

3.2 氣象、水文條件

隧道所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫17.7 ℃,7月平均氣溫28.9 ℃,1月平均氣溫5.9 ℃,年均降水量1 553 mm。隧道區(qū)的地表水系發(fā)育,山坡多為雨季降水形成的季節(jié)性面流,溝谷地可能形成短暫季節(jié)性洪流。區(qū)內(nèi)地表最大的水體為進(jìn)洞口發(fā)育的山間溪流,水流量大。

3.3 處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)掌子面揭露圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖,風(fēng)化嚴(yán)重,整體性及穩(wěn)定性極差。洞口處巖性多為黏性土及全強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、灰?guī)r層,力學(xué)性質(zhì)差,遇水極易散化發(fā)生沉降、開裂、坍塌。在隧道施工時(shí),由于受到應(yīng)力作用和人類活動(dòng)的影響,會(huì)對(duì)隧道安全施工產(chǎn)生不利影響,所以洞口施工采取了超前管棚等預(yù)支護(hù)。開挖施工后,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)拱頂下沉較大,地表也出現(xiàn)裂縫,對(duì)安全施工有很大影響。在此種情況下,應(yīng)該暫停掌子面開挖,對(duì)洞內(nèi)初期支護(hù)再次進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng),加強(qiáng)仰坡系統(tǒng)錨桿,加撐臨時(shí)橫撐及豎向支撐等。

4 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及布置

根據(jù)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷.確定變形管理等級(jí),據(jù)此指導(dǎo)施工,變形管理等級(jí)預(yù)警值按《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)中實(shí)測(cè)位移值不大于隧道極限位移值,并按其中表18.6.3位移管理等級(jí)進(jìn)行判定,見(jiàn)表1。一般情況下,將隧道設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量作為極限位移,而設(shè)計(jì)變形量應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果不斷修正。

表1 位移管理等級(jí)

圍巖穩(wěn)定性判斷是一項(xiàng)很復(fù)雜且重要的工作,必須結(jié)合具體工程情況,根據(jù)所測(cè)得的位移量、位移速度及變化趨勢(shì)、隧道埋深、開挖斷面大小等進(jìn)行綜合分析判斷。當(dāng)圍巖位移速度較大時(shí),將加大量測(cè)頻率,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

為了及時(shí)跟蹤淺埋洞口地段施工時(shí)對(duì)隧道頂部土體的擾動(dòng)影響和判斷隧道圍巖穩(wěn)定程度,本研究主要進(jìn)行的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有:地表下沉量測(cè);隧道拱頂下沉量測(cè);隧道周邊位移量測(cè)。儀器設(shè)備為GM-52全站儀。地表下沉監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1,周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2,其中A為拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn),B和E為上臺(tái)階周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn),C和D為下臺(tái)階周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 地表下沉監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置示意圖

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.1 地表下沉變化

選取淺埋隧道偏壓隧道進(jìn)口段ZK+865斷面地表下沉進(jìn)行分析,地表下沉?xí)r程曲線見(jiàn)圖3,剖面共七個(gè)測(cè)點(diǎn),其中累計(jì)沉降值最大為148.5 mm。從監(jiān)測(cè)曲線可以看出,第一階段地表下沉較為緩慢,隧道還未開挖到該斷面,對(duì)地表下沉影響較小;第二階段,隨著隧道的開挖,地表累計(jì)下沉突增,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)地表出現(xiàn)裂縫,下降速率最大16.4 mm/d。第三階段,隨著掌子面的推進(jìn),初支封閉成環(huán)和加固措施的實(shí)施,地表下沉速率減小,逐漸收斂。

圖3 地表下沉變化曲線圖

5.2 拱頂下沉

ZK+865斷面拱頂下沉曲線見(jiàn)圖4,累計(jì)拱頂下沉終值在152.4 mm左右,在監(jiān)測(cè)的前10 d左右下沉量較大,累計(jì)沉降量約占總沉降量的81.4%,最大下沉速率14.2 mm/d,隧道內(nèi)出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。之后下沉速率逐漸減小,趨于穩(wěn)定。

圖4 拱頂下沉變化曲線圖

5.3 周邊收斂

從圖5～圖6可以看出,上臺(tái)階和下臺(tái)階周邊收斂的趨勢(shì)基本一致,最大值分別是29.3 mm和29.0 mm,周邊收斂速率最大值均出現(xiàn)在布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第二天,分別為2.2 mm/d和2.5 mm/d。隨著隧道的開挖,掌子面距離該斷面越來(lái)越遠(yuǎn),隧道初期支護(hù)封閉成環(huán),周邊變形越來(lái)越小,在監(jiān)測(cè)后10 d左右逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 上臺(tái)階周邊收斂曲線圖

圖6 下臺(tái)階周邊收斂曲線圖

5.4 對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),累計(jì)拱頂下沉最大值大于地表累計(jì)沉降的最大值。為了更好的說(shuō)明地表下沉和拱頂下沉的關(guān)系,對(duì)比了在2021年7月7日到2021年8月5日的地表下沉速率和拱頂下沉速率,見(jiàn)圖7,兩者速率變化的趨勢(shì)基本一致,在這段時(shí)間段內(nèi),均是在7月15日附近速率達(dá)到最大,在15號(hào)之前速率較大,在達(dá)到最大值后速率逐漸降低,逐漸趨于零。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,累計(jì)變形量由大到小順序依次為拱頂下沉、地表下沉、周邊收斂。整體而言,淺埋偏壓隧道開挖對(duì)拱頂影響較大,對(duì)周邊收斂的影響相對(duì)較小。在淺埋偏壓隧道開挖過(guò)程中,應(yīng)及時(shí)做好監(jiān)測(cè),尤其是在剛開挖后不久,應(yīng)及時(shí)合理的加強(qiáng)措施支護(hù)措施,增強(qiáng)隧道整體的穩(wěn)定性。

圖7 下沉速率對(duì)比圖

6 結(jié) 論

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:隧道地表沉降大致分為三個(gè)階段,最大累計(jì)地表下沉為148.5 mm,最大地表下沉速率為16.4 mm/d;最大累計(jì)拱頂下沉為152.4 mm左右,最大下沉速率14.2 mm/d;上臺(tái)階和下臺(tái)階周邊收斂最大值分別是29.3 mm和29.0 mm。

(2)通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),地表下沉與拱頂下沉變形趨勢(shì)大致相同,累計(jì)變形量由大到小順序依次為拱頂下沉、地表下沉、周邊收斂。隧道淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表和拱頂影響相對(duì)較大,對(duì)周邊收斂的影響相對(duì)較小。

(3)隧道開挖后變形量較大,隧道內(nèi)和地表均出現(xiàn)裂縫,應(yīng)及時(shí)停止施工,增加臨時(shí)加固措施,對(duì)洞內(nèi)初期支護(hù)再次進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng),并進(jìn)行地表注漿等措施。在采取措施后,變形均逐漸收斂,隧道整體趨于穩(wěn)定。