蔡 濤

中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

1 工程地質(zhì)概況

梅家溝隧道隧址區(qū)位于四川綿陽市平武縣白馬鄉(xiāng)祥述家寨東側(cè)，S205省道從隧址區(qū)通過，交通便利。隧道右線Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 340 m，左線Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 425 m，隧道圍巖全部為Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖主要為強(qiáng)-中風(fēng)化千枚巖、炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖夾薄層千枚巖，裂隙發(fā)育，多為泥質(zhì)充填，軟-較軟巖，巖體破碎-較破碎，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，隧道地表水主要受制于沖溝影響，地下水主要為基巖裂隙水，大多呈點(diǎn)滴狀，局部斷層破碎帶地段有涌突水。工程區(qū)斷裂和褶皺均較發(fā)育，且規(guī)模較大，延伸數(shù)十至近百公里，主要有大橋復(fù)向斜、木皮倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜、自一里復(fù)向斜、白馬弧形構(gòu)造帶、南坪背斜等大型褶皺。隧址區(qū)位于白馬弧形構(gòu)造帶北西翼，受北側(cè)文縣弧形構(gòu)造影響，其構(gòu)造形跡向南突出，由石炭系、泥盆系、震旦系地層組成，西北向受刀切加-胡家磨斷裂限制。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性與破壞機(jī)理

2.1 支護(hù)變形特性

隧道開挖施作初期支護(hù)后，變形表象主要體現(xiàn)為：噴射混凝土開裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架折斷、鋼拱架剪斷、初期支護(hù)侵限，如圖1所示。變形時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的流變性，個(gè)別斷面難以達(dá)到穩(wěn)定，迫于安全布距，及時(shí)二襯施作后，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)徑向和環(huán)向開裂。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析

1）炭質(zhì)千枚巖的層間結(jié)合差，表現(xiàn)為手能摳得動(dòng)，遇水即成泥狀，掌子面開挖后圍巖與空氣結(jié)合氧化后基本為松散狀。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)軟巖大變形實(shí)景

2）巖層產(chǎn)狀基本與隧道中軸線平行，在重力和山體壓力下會(huì)隨時(shí)發(fā)生豎向位移和沿約束差的位移發(fā)生垂直于圍巖走向（水平方向）的鼓出（不利結(jié)構(gòu)面造成的潛在偏壓）。

3）掌子面和下導(dǎo)開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力變形的破壞松動(dòng)體正逐漸加大。表現(xiàn)為水平收斂值加大，或巨變，出現(xiàn)峰值。

4）隧道開挖作為巖石卸載手段，開挖后圍巖應(yīng)力進(jìn)行二次分布。一部分應(yīng)力在開挖的過程中進(jìn)行釋放，圍巖產(chǎn)生適量的回彈形變，一部分應(yīng)力向圍巖內(nèi)部傳遞擴(kuò)展，并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

5）圍巖卸荷的過程中，圍巖壓力會(huì)迅速降低，切向應(yīng)力增大，徑向應(yīng)力變小，洞壁位置主應(yīng)力達(dá)到極值，成為圍巖破壞發(fā)展的間接誘因，塑性區(qū)整體向深處擴(kuò)展，本體向破碎區(qū)發(fā)展。

6）施工進(jìn)尺過大、工序銜接不及時(shí)都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力滯后，前期圍巖變形過于集中，導(dǎo)致后期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力突變并出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用大打折扣。

3 監(jiān)控量測(cè)分析與預(yù)警體系的建立

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)規(guī)律

對(duì)梅家溝隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)導(dǎo)出的收斂變形時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)分步開挖法工序銜接對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形具有較為明顯的擾動(dòng)效應(yīng)，集中體現(xiàn)在速率時(shí)態(tài)曲線出現(xiàn)峰值和累積值時(shí)態(tài)曲線的斜率增大兩方面。

梅家溝隧道現(xiàn)場(chǎng)的初支變形破壞中的拱架連接位置受剪切和擠壓較為明顯，邊墻大面積高頻率剝落，而初支拱頂狀態(tài)較為完整，在該現(xiàn)象較為明顯的位置，選取鄰近斷面的凈空變形時(shí)態(tài)進(jìn)行分析，其變形數(shù)據(jù)及變形比率如表1所示。

梅家溝隧道監(jiān)測(cè)規(guī)律總結(jié)：

1）梅家溝隧道以收斂大變形為主，拱頂下沉較小，其量值比率在2～6之間。

2）上臺(tái)階開挖支護(hù)后，圍巖壓力（松散圍巖壓力、變形圍巖壓力、膨脹圍巖壓力）作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，此時(shí)變形速率較大，量值為10～20 mm/d，持續(xù)時(shí)間為3～4 d，速率有所下降，約為5 mm/d，累計(jì)變形持續(xù)上升。

表1 梅家溝隧道監(jiān)控量測(cè)凈空變形對(duì)比情況

3）受下臺(tái)階開挖擾動(dòng)，圍巖內(nèi)部應(yīng)力再次重新分布，收斂變形速率出現(xiàn)突增，量值達(dá)到20 mm/d以上的概率極大，局部斷面達(dá)到30 mm/d以上，初支全斷面出現(xiàn)不同程度的開裂，拱頂下沉量值突變不明顯。

4）大變形速率持續(xù)時(shí)間受制于拱架連接作業(yè)時(shí)間和仰拱施作時(shí)間的長(zhǎng)短，仰拱施作完成后，變形速率明顯減小，穩(wěn)定跡象有所不同，局部斷面以低速率（2 mm/d左右）持續(xù)變形。

5）按照當(dāng)前設(shè)定的速率預(yù)警和累計(jì)變形預(yù)警，預(yù)警頻率高，與當(dāng)下洞內(nèi)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)特性匹配度較低。

3.2 監(jiān)控量測(cè)預(yù)警體系的優(yōu)化

3.2.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將梅家溝隧道3個(gè)洞口開挖斷面變形速率區(qū)間劃分為＜0、0～＜5、5～＜10、10～＜15、15～＜20、20～＜25、25～＜30、≥30 mm/d共8個(gè)區(qū)間，對(duì)采集的共計(jì)4 376個(gè)周邊收斂速率和5 075個(gè)拱頂下沉速率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，頻數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。周邊收斂和拱頂下沉速率區(qū)間分布相似，呈現(xiàn)單峰分布狀態(tài)，變形速率主要集中在5 mm/d以內(nèi)，但周邊收斂超過30 mm/d的次數(shù)達(dá)到72次，拱頂下沉超過20 mm/d的只有22次。

圖2 梅家溝隧道凈空變形速率分布直方圖

將梅家溝隧道3個(gè)洞口開挖斷面累計(jì)變形區(qū)間劃分為＜0、0～＜20、20～＜30、30～＜50、50～＜70、70～＜100、100～＜150、150～＜200、≥200 mm共9個(gè)區(qū)間，對(duì)采集的共計(jì)133個(gè)周邊收斂和141個(gè)拱頂下沉累計(jì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，頻數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。監(jiān)測(cè)斷面的周邊收斂累計(jì)值分布狀態(tài)和拱頂下沉累計(jì)值的分布狀態(tài)不同，其中，周邊收斂大變形尤為突出，累計(jì)變形值在200 mm以上的斷面分布頻率高達(dá)34%，拱頂下沉大沉降不明顯，變形值在100 mm以上的斷面分布頻率只有15%。

圖3 梅家溝隧道凈空變形累計(jì)值分布直方圖

依據(jù)現(xiàn)有的預(yù)警指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)速率預(yù)警頻次較高，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)初支狀態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)，在不同的開挖工序，多數(shù)情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)未見異常。而預(yù)警一方面會(huì)導(dǎo)致施工中斷，影響施工進(jìn)度，另一方面會(huì)迫使施工單位加強(qiáng)措施抑制變形，從而提高了建設(shè)成本?；凇靶聤W法”施工“先讓后抗”的原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的強(qiáng)支護(hù)，應(yīng)允許在特殊施工工序和相鄰施工工序互相擾動(dòng)的情況下產(chǎn)生一定量值的變形，但這個(gè)變形應(yīng)有一定的期限。

3.2.2 預(yù)警體系的建立

綜合考慮所處的施工環(huán)節(jié)、圍巖級(jí)別、地下水分布狀態(tài)、支護(hù)類型、施工質(zhì)量、環(huán)境影響，結(jié)合本工程實(shí)際，根據(jù)分級(jí)分步、動(dòng)態(tài)預(yù)警的思想，考慮時(shí)間效應(yīng)的影響，建立如表2、表3所示的梅家溝隧道分步開挖時(shí)周邊收斂變形預(yù)警體系。

表2 梅家溝隧道收斂變形速率預(yù)警指標(biāo)

表3 梅家溝隧道收斂變形累計(jì)值預(yù)警指標(biāo)

3.2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情形

當(dāng)隧道洞內(nèi)出現(xiàn)下列情形，應(yīng)執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每1～2 h一次。

1）變形速率連續(xù)3次超過紅色預(yù)警值。

2）累計(jì)變形超過極限位移值，且變形速率連續(xù)2次超過紅色預(yù)警值。

3）隧道初支出現(xiàn)10 mm的裂縫，單縫長(zhǎng)度超過500 mm或累計(jì)長(zhǎng)度超過1 000 mm，且變形速率超過黃色預(yù)警值。

4）隧道出現(xiàn)塌方，現(xiàn)場(chǎng)具備監(jiān)控量測(cè)條件。

5）隧道開挖面遇不良地質(zhì)體，現(xiàn)場(chǎng)具備監(jiān)控量測(cè)條件。

6）支護(hù)結(jié)構(gòu)受力超過其極限承載能力90%，且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。

4 工程應(yīng)用

將新的變形監(jiān)控預(yù)警體系應(yīng)用到梅家溝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作中，效果顯著，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：規(guī)定了實(shí)施監(jiān)測(cè)情形，最大限度保障了安全隱患下突發(fā)安全事故和質(zhì)量事故的概率，保障監(jiān)控量測(cè)對(duì)隧道安全施工的指導(dǎo)作用；監(jiān)控預(yù)警頻率顯著降低，一定程度上節(jié)約了監(jiān)控單位的人力、物力和財(cái)力；有利于充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和圍巖加固后的自承載能力，合理利用的開挖預(yù)留變形量，在滿足設(shè)計(jì)要求并保障凈空尺寸的前提下，節(jié)約了二襯混凝土用量；作為必要輔助工序，同時(shí)加快了施工進(jìn)度，緩解工人的不良情緒，提高了工人積極性，同時(shí)極大促進(jìn)了企業(yè)效益的實(shí)現(xiàn)[1-5]。

5 結(jié)語

1）梅家溝軟巖隧道變形特性主要表現(xiàn)為噴射混凝土開裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架折斷、鋼拱架剪斷、初期支護(hù)侵限，變形時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的流變性，后期二襯出現(xiàn)徑向和環(huán)向開裂。

2）梅家溝軟巖隧道凈空變形以周邊收斂為主，其量值約為拱頂下沉量值的4倍左右。

3）基于分級(jí)分步、動(dòng)態(tài)預(yù)警的優(yōu)化預(yù)警體系與現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的匹配性，在保證施工安全的前提下，保證了施工進(jìn)度，充分發(fā)揮了支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力，同時(shí)，也較好地利用了圍巖的開挖預(yù)留變形量。