蔣英禮，王勁松，陳忠球

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510650;2.廣東省長大公路工程有限公司，廣東廣州 511431)

0 引言

隧道作為一種特殊的工程結(jié)構(gòu)體系，在施工過程中，四周的原狀力學(xué)體系已經(jīng)被打破，圍巖的力學(xué)性態(tài)不僅受到巖石生成條件和地質(zhì)作用的影響，還受到隧道開挖方式、支護(hù)類型、支護(hù)時機(jī)和支護(hù)參數(shù)等因素的影響，要尋求正確反映巖體力學(xué)性態(tài)的模型相當(dāng)困難［1］。然而，由于圍巖介質(zhì)和地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，試圖完全用精確的數(shù)學(xué)模型來揭示地下工程問題往往是不可能的，因為運用工程數(shù)學(xué)模型解決地下工程問題往往在提出基于經(jīng)驗的假設(shè)條件后方可實現(xiàn)，地下工程的設(shè)計和施工仍然處于半經(jīng)驗半理論狀態(tài)。由此看來，對于地下工程，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜的地下工程開展施工監(jiān)控量測是很有必要的［2－4］?，F(xiàn)場監(jiān)控量測是新奧法施工的三大要素之一，是復(fù)合式襯砌設(shè)計、施工的核心技術(shù)。對隧道施工進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，并根據(jù)量測資料分析結(jié)果，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和措施以確保施工安全。本文以石鼓隧道施工為例，介紹監(jiān)控量測在隧道施工中的應(yīng)用，為隧道設(shè)計及施工提供參考。

1 工程概況

石鼓隧道位于廣東省東莞市銀屏山自然保護(hù)區(qū)，起止樁號為k32+447～k36+458，累計單洞長7 891 m，其中左線長4 011 m，Ⅱ級圍巖2 839 m，Ⅲ級圍巖927 m，Ⅳ級圍巖136 m，Ⅴ級81 m;右線長3 880 m，Ⅱ級圍巖2 838 m，Ⅲ級圍巖855 m，Ⅳ級圍巖136 m，Ⅴ級28 m。在Ⅴ級圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在Ⅲ、Ⅳ級圍巖地段采用臺階法施工，在Ⅱ級圍巖地段采用全斷面法施工。該隧道為分離式小凈距隧道，雙向6車道，其斷面內(nèi)輪廓采用三心圓設(shè)計，高7.98 m，寬15.40 m，左右線開挖凈距29～31 m，最大埋深約534 m。隧址區(qū)地層主要為白堊系下統(tǒng)白云峰組熔結(jié)凝灰?guī)r、侏羅系上統(tǒng)南山村組凝灰?guī)r及侏羅系中統(tǒng)吉嶺灣組熔結(jié)凝灰?guī)r。

2 監(jiān)測內(nèi)容與斷面布置

石鼓隧道采用新奧法施工。新奧法施工的主要特點是通過許多量測手段對開挖后隧道圍巖的動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并以此來指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工。依據(jù)新奧法的這一理論特性和主要特點，石鼓隧道監(jiān)控量測的應(yīng)測項目有地質(zhì)和支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉量測、水平收斂及地表沉降等，各測點的布置見圖1。

石鼓隧道左線長4 011 m，右線長3 880 m，根據(jù)隧道監(jiān)控量測設(shè)計要求，其各個監(jiān)測項目的監(jiān)測斷面統(tǒng)計見表1。為了研究圍巖的穩(wěn)定性及變形特征，選取了隧道右線的5個典型監(jiān)測斷面作為研究斷面進(jìn)行分析，不同圍巖級別的典型監(jiān)測斷面見表2。

圖1 監(jiān)控量測點布置(單位:cm)

表1 石鼓隧道監(jiān)測斷面統(tǒng)計表

表2 選取的不同圍巖級別的典型監(jiān)測斷面

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用

3.1 地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

隧道掌子面每次爆破和初噴后，通過肉眼觀察、地質(zhì)羅盤和錘擊檢查，描述和記錄圍巖地質(zhì)情況，包括巖性種類、巖層產(chǎn)狀、裂隙、溶洞和地下水等方面，了解開挖工作面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，判斷圍巖級別是否與設(shè)計相符，測量地下水流量;觀察支護(hù)效果，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠程度。

以下為Yk36+305斷面觀察記錄結(jié)果。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙發(fā)育，雜亂、多張開，一般有軟質(zhì)充填物，節(jié)理面壁粗糙，多數(shù)水銹，蝕變、輕微蝕變?？捎猛跈C(jī)、風(fēng)鎬掘進(jìn)，局部地方需用鉆爆掘進(jìn)，工作面潮濕。開挖后，圍巖自穩(wěn)性差，極易冒頂和坍塌。雙側(cè)壁導(dǎo)坑掘進(jìn)時，觀測圍巖的動態(tài)及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況。由于核心部分未開挖，在導(dǎo)坑掘進(jìn)中觀測時其只有微小變化。上坑道開挖初期支護(hù)后圍巖穩(wěn)定，初期支護(hù)有多處滲水現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3.2 地表下沉

石鼓隧道入口為V級圍巖，隧道埋深較淺，圍巖穩(wěn)定性差，且下穿山間谷地溪流，溪流處最小埋深5 m，根據(jù)地形，深圳端洞口淺埋段右線布置了2個觀測斷面(Yk36+295、Yk36+305)，地表下沉觀測點自襯砌中線沿兩側(cè)布置，監(jiān)測點設(shè)置9個。用水準(zhǔn)儀和塔尺進(jìn)行地表下沉的觀測，歷時120 d。圖2為地表沉降與量測時間的關(guān)系，從獲取的量測數(shù)據(jù)來看，最大值為32 mm，隧道開挖后第一個月沉降量較大，在第二、第三個月逐步趨于穩(wěn)定，前三個月沉降量達(dá)到總沉降的90%以上，第四個月的地表沉降量很少，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地面無明顯沉降，不會對洞室周圍建筑物產(chǎn)生大的影響。圖3為地表最大沉降量與開挖面距離的關(guān)系，可以看出，開挖面到達(dá)埋設(shè)斷面時，下沉量速率達(dá)到最大，之后地表下沉逐漸穩(wěn)定。在隧道開挖面到埋設(shè)斷面前后10 m，地表沉降較大，需加強觀測。

對石鼓隧道洞口的地表沉降點進(jìn)行觀測，地表最大沉降達(dá)到32 mm后，地表沉降變化一直都保持較平穩(wěn)的態(tài)勢。其遠(yuǎn)小于允許的沉降值，表明石鼓隧道洞口淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖技術(shù)是適宜的，保證了該淺埋軟弱圍巖地段的安全、順利施工。

圖2 地表沉降—時間曲線圖

圖3 地表沉降—開挖面距離曲線圖

3.3 周邊位移與拱頂下沉量測

圖4～圖7給出了石鼓隧道4個代表性斷面的拱頂下沉和凈空收斂曲線及位移速率曲線。由圖可知，拱頂沉降與周邊收斂基本同步，拱頂沉降速率明顯大于周邊收斂速率。斷面Yk36+010、Yk36+160、Yk36+275分別代表Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖的的拱頂下沉和水平收斂曲線，可以看出，圍巖越差，其拱頂沉降和水平收斂也越大，圍巖的變形規(guī)律也和開挖方法有關(guān)，Yk36+010的圍巖變形可分為3個階段:第一階段，急劇變形階段，此階段變形在開挖及初期支護(hù)后7 d左右，變形速率較大，其當(dāng)日變形速率＞0.5 mm/d;第二階段，緩慢變形階段，此階段變形速率開始減緩，在20 d之內(nèi)，其當(dāng)日變形速率 ＞0.2 mm/d(拱頂下沉)和＞0.15 mm/d(水平收斂);第三階段，穩(wěn)定變形階段，此階段在開挖及初期支護(hù)25 d之后，當(dāng)日變形速率趨于零，變形逐漸穩(wěn)定。而斷面Yk36+160、Yk36+275的圍巖變形分為四個階段，較Yk36+010全斷面法施工其在第二階段后增加了第三階段為變形加速階段，該階段由于下臺階開挖，造成圍巖應(yīng)力釋放，加速變形，該階段歷時10 d左右;第四階段圍巖最終穩(wěn)定階段，下臺階開挖完成后一段時間，圍巖在噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等初期支護(hù)共同作用下，圍巖應(yīng)力重新分布，達(dá)到平衡狀態(tài)，圍巖變形極其緩慢，逐漸收斂，變形速率很少，幾乎為零，圍巖達(dá)到最終穩(wěn)定，可以進(jìn)行二襯施工。所以在采用臺階法隧道施工，在施工下臺階時要加強隧道的拱頂沉降和水平收斂的監(jiān)控。

圖4 拱頂沉降—時間曲線圖

圖5 周邊收斂—時間曲線圖

圖6 拱頂沉降速率—時間曲線圖

圖7 周邊收斂速率—時間曲線圖

4 結(jié)論

通過對石鼓隧道在施工過程中的地表沉降、周邊位移和拱頂下沉等的監(jiān)控量測，以及對監(jiān)測結(jié)果的分析研究，得到以下主要結(jié)論。

1)隧道變形是時空效應(yīng)共同作用的結(jié)果，開挖過程中，工作面的影響范圍一般為前后10～20 m，即1～2倍洞徑范圍，相應(yīng)時間大約30～40 d，而且圍巖質(zhì)量越好，穩(wěn)定的時間也越短。

2)從現(xiàn)場周邊位移和拱頂下沉的監(jiān)測來看，同一監(jiān)測斷面的周邊收斂、拱頂下沉的監(jiān)測指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律基本一致，一般經(jīng)歷急劇增加—緩慢增長—再次加速(下臺階施工)—趨于穩(wěn)定的四個階段，變形特征與圍巖級別、開挖方式以及測量儀器精度有著直接關(guān)系。

3)隧道出口段地表前三個月沉降速率較大，其沉降量達(dá)到總沉降的90%以上，但隨時間推移沉降速率逐漸較小，第四個月沉降基本穩(wěn)定，說明隧道洞口山體穩(wěn)定。

4)從監(jiān)測結(jié)果看，對于采用臺階法開挖的軟弱巖體，下臺階和仰拱開挖時，圍巖產(chǎn)生較大的變形，應(yīng)加強監(jiān)控量測，實時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保圍巖穩(wěn)定，隧道下斷面開挖后要及時支護(hù)和仰拱封閉，使初期支護(hù)斷面閉合成環(huán)。

［1］李曉紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］代高飛，應(yīng) 松，夏才初，等.高速公路隧道新奧法施工監(jiān)控量測［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，27(2):132－135.

［3］王海濤，賈金青.監(jiān)控量測技術(shù)在喬莊隧道中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，28(2):237－239.

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