隧道軟弱圍巖變形監(jiān)測及穩(wěn)定性研究
2015-06-15
由于巖體斷層的結構面的狀態(tài)、特征和組合，隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性不一，易發(fā)生不同邊界條件、方式、規(guī)模及特征的的變形破壞。大量學者針對這一問題做了不同角度和深度的研究，包括斷層的定性調查、預報以及圍巖穩(wěn)定性分析。本文以二青山隧道1#斜井為例，通過對開挖過程中出現(xiàn)的不同地段圍巖變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，深入對因受斷層影響的隧道圍巖變形特征與機理進行定量分析，為隧道支護提供科學依據。
1.工程概況
二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段是太原至興縣線靜游至興縣段隧道。該段處于第四系上更新統(tǒng)坡洪積粉質黃土層，呂梁山群赤堅嶺組灰白色加黑色斑狀片麻巖，紅色偉晶巖，黑色云母片巖等。隧道埋深較淺，上覆黃土一般厚20-40米，具II級自重濕陷性，下伏基巖頂部有一層10-20米厚全風化層，巖體節(jié)理發(fā)育，及破碎，呈碎石土狀，地表黃土層溝壑發(fā)育，DK134+100段地表有河流穿過，常年不斷，地下水位高，涌水量大。
變形段原設計為IV級圍巖，開挖過程中實際掌子面圍巖以強風化黑色云母片巖、紅色偉晶巖，砂礫性碎石土為主，巖體及破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部部位滲水，巖體遇水剝層脫落、掉塊、坍塌，圍巖穩(wěn)定性極差。經與設計、監(jiān)理現(xiàn)場勘查變更為V級圍巖支護施工。
根據設計圖紙，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段采用臺階法進行施工， 圍巖地質狀況差，斜井進入正洞采用門架式挑頂施工，在挑頂過程中，掌子面多次出現(xiàn)小型坍塌。在施作中導及下導時，由于圍巖為云母片巖，加之水量大，導致頻頻出現(xiàn)不同程度的塌方。在下導施作完成6小時后，發(fā)現(xiàn)拱腰以下已嚴重侵限（初支預留變形量22cm），里程為DK134+809-801。為了控制變形，及時施作喇叭口段仰拱，對正洞邊墻部分進行注漿加固。但是大里程施工數米后，變形段逐步延伸，變形主要表現(xiàn)為拱腰大面積噴射混凝土開裂、掉塊，鋼拱架局部變形扭曲，喇叭口處大里程段斜井拱架向正洞徑向方向壓彎。監(jiān)控量測數據顯示拱頂下沉及水平收斂值均已超出允許范圍，沉降最大值已超出15.8cm，最大收斂超出50cm，拱頂下沉日收斂最大達到160mm。
2012年8月5日上導坑施工至DK134+870，施工期間圍巖收斂變形一直變化較大，為確保施工安全，采取仰拱、二襯緊跟掌子面開挖，及時封閉成環(huán)施工方法組織施工，進度緩慢， 2012年9月16日掌子面施工至DK134+895，仰拱施工至DK134+890，二襯施工至DK134+863。2012年8月18日晚從已施工仰拱段DK134+870～890中下導交接處拱腰位置整體巨變收斂，其中右側最大收斂達100cm，左側收斂達70cm，拱頂由于受側向水平收斂影響，平均下沉20cm，存在嚴重施工安全隱患。
2.變形處理方案
根據工程項目的復雜、難易程度，施工單位制定了專門的施工方案《二青山隧道1#斜井變形段換拱施工方案》。
?。?）從2#斜井棄碴場拉石碴及時對DK134+870～890段中下導坑進行回填反壓處理，回填高度3.5米，控制收斂變形，確保DK134+870～DK134+890整體穩(wěn)定，防止變形加大導致隧道整體坍塌災害。
（2）對變形體段DK134+870～+900段已成型中上導坑初期支護進行全斷面徑向注漿固結處理，預防替換拱架施工造成二次擾動變形加大，導致坍塌不安全隱患事故發(fā)生。
（3）注漿完畢待注漿強度符合要求后，從DK134+870開始用風鎬在變形初期支護的兩榀鋼拱架之間開槽鑿除初期支護侵限部分，槽寬50cm，測量滿足設計斷面要求后，安裝新的I20鋼拱架，并按設計要求施作好系統(tǒng)錨桿，鎖腳錨管（Φ42mm×3.5mm無縫鋼管、錨管長3.5m，每處2根）。采用同樣方法繼續(xù)施工處理、安裝第二榀新I20工字鋼拱架，施工系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿后利用風鎬鑿出兩榀拱架之間侵限初期支護噴射混凝土及拆除變形舊I18鋼拱架，安裝鋼筋網片，縱向連接筋，報監(jiān)理檢查合格后立即噴射混凝土封閉。以此類推間隔替換侵限格柵拱架施工至DK134+890。
?。?）仰拱、二襯及時跟進封閉成環(huán)確保DK134+870～890段落整體施工安全。
3.監(jiān)測與分析
開挖是隧道軟弱圍巖產生的洞周收斂變形主要原因。巖體分為堅硬巖體、軟弱巖體和極軟巖體。堅硬巖體，洞周的內空收斂變形由開挖導致；軟弱巖體和極軟巖體，圍巖具有特殊性，變形量大，而且變形規(guī)律不同。欲做好隧道設計和施工安全，需正確地認識軟弱圍巖的變形規(guī)律。
（1）分點錨固式多點伸長計原理
測桿件和測頭組成分點錨固式多點伸長計。其原理是：首先將伸長計的錨頭錨固于鉆孔中的各測點上，然后通過測桿將錨固頭延伸至孔口測試面板旁，透過百分表觀測相對位移，即測點與隧道巖體上各參考點的相對位移。通常在百分表測桿上置放球面狀表托，增加測試桿與測試面板的接觸和保證垂直性，減少測量誤差和增加測試的重復度。
分點錨固式多點伸長計的安裝步驟：鉆孔后測量深度，準備一套安裝桿（和輔助安裝設備），要求其深度與孔深一致；連接錨固件和桿件，往錨固筒中灌注水泥砂漿；利用安裝桿將組裝好的測試器送至測試點，利用桿件間的相對移動擠出水泥，完成第一個測點的安裝，將錨固筒錨固于孔；卸下安裝桿，重復上述步驟，安裝其他測試點；清理孔口，按順序把連接各側頭并套入護管和把連接面板的測頭錨固筒插入孔口，并保持1m左右的測量空間。
本工程研究采用4點監(jiān)測，測量精度為0.101mm，量程為0~100mm。測桿件安裝孔直徑為76mm,測頭安裝孔直徑為110mm。
（2）變形監(jiān)測內容及頻率
隧道軟弱圍巖變形監(jiān)測點選取很重要，關系著監(jiān)測結果的可靠與準確。綜合考慮測量方法的可操作性和可靠性、成本和指導作用等因素，選取拱頂下沉和周邊水平收斂作為變形監(jiān)測必測項目，用于日常施工管理使用。
布置監(jiān)控測量點，對初支變形段在施工過程中產生的變化進行觀測，提供數據指導換拱施工。監(jiān)控量測的頻率根據相應規(guī)范要求進行，由于原初期支護變形量大，每天監(jiān)測頻次不少于4次，監(jiān)測結果及時反饋。如果發(fā)現(xiàn)圍巖變形突變，應該馬上停止換拱施工，分析突變原因，并及時向相現(xiàn)場管理人員匯報，研究進一步處理方案。
?。?）監(jiān)測結果
根據二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段的周邊水平收斂位移曲線圖（如圖1）可知，上側線呈梯形，而下測線呈拋物線形。
圖1斷面周邊水平收斂曲線圖圖2斷面拱頂沉降曲線圖
而拱頂中間測點的沉降變化曲線（如圖2）呈梯形。
（3）分析
根據初期支護斷面測量檢測成果，確定初期支護拱架替換里程段落，為防止換拱作業(yè)過程中初期支護變形，在換拱施工前對換拱段落初期支護進行全斷面注漿預加固處理，然后再采用風鎬鑿除兩榀拱架之間噴射混凝土，重新安裝I20鋼拱架進行二次初期支護。
由于測量過程中人為或是外界（氣候、環(huán)境等）的影響，用數學方法對實測數據進行處理，規(guī)避因測量結果存在偶然誤差而引起的離散性，或是減少離散性對結果的影響。綜合考慮臺階法施工中，對下一臺階的開挖會對上一級或是已開挖隧道上層圍巖產生二次擾動，利用回歸分析法對二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890斷面測量的原始數據進行曲線擬合，如圖3所示。
圖3 二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段斷面圍巖變形回歸分析
4.結論
正確地認識軟弱圍巖的變形規(guī)律，是做好隧道設計和施工安全的前提；獲取真實可靠的測量數據并對其進行數據分析和綜合分析研究，可以完善設計方案和正確指導施工。本文通過對二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段隧道軟弱圍巖段的施工現(xiàn)場監(jiān)測分析，研究了其隧道軟弱圍巖的穩(wěn)定性，得出如下主要結論：
?。?）二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段拱頂下沉和周邊水平收斂實時監(jiān)測變形曲線可以分為三個階段：快速變形階段、緩慢變形階段和趨穩(wěn)階段。
?。?）利用回歸分析法對現(xiàn)場實測數據進行分析，可預測到圍巖較精確地的最終變形量，并對圍巖和支護結構的穩(wěn)定性進行評估和判斷，監(jiān)測測量分析結果表明下臺階開挖四十天后便可對其進行二次襯砌。
?。?）施工現(xiàn)場監(jiān)測測量綜合分析結果表明，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段采用臺階法施工是可行的。
