彭澤乾，彭 川

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400020)

1 前言

在山嶺區(qū)高速公路建設(shè)中，由于受地形條件的限制，為了克服高程、避免大挖方破壞生態(tài)、避繞不良地質(zhì)而選擇隧道施工，在隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，由于地應(yīng)力釋放會(huì)破壞原有圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)致在施工過(guò)程中發(fā)生坍塌事故[1]。

1.1 隧道圍巖變形失穩(wěn)發(fā)育及致災(zāi)特點(diǎn)

隧道坍塌是指在隧道施工中，洞頂及兩側(cè)部分巖土體在重力作用下向下崩落的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。圍巖變形坍塌，除了與巖體的初始應(yīng)力有關(guān)，還主要取決于圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及水的作用[2-3]。正是由于隧道塌方的影響因素較多，所以坍塌事故普遍發(fā)生，根據(jù)調(diào)查在隧道施工過(guò)程中坍塌事故發(fā)生數(shù)量最多。隧道施工坍塌事故災(zāi)害具有以下特點(diǎn)：

(1)易發(fā)性。隧道工程與其他工程相比具有隱蔽性、施工復(fù)雜性、地層條件和周圍環(huán)境的不確定性等突出特點(diǎn)，從而加大了施工技術(shù)難度和建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，使得其在多種影響因素下比較容易發(fā)生隧道坍塌事故。

(2)突發(fā)性。隧道圍巖受到開(kāi)挖擾動(dòng)后，在自重應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用下，變形失穩(wěn)導(dǎo)致的坍塌事故災(zāi)害具有突發(fā)性，災(zāi)害發(fā)生前并無(wú)明顯預(yù)兆。

(3)破壞力強(qiáng)。由于隧道施工空間有限，并且隧道坍塌所產(chǎn)生的巖土體下落速度較快，在場(chǎng)施工作業(yè)人員不能及時(shí)躲避，勢(shì)必會(huì)掩埋或砸傷作業(yè)人員，對(duì)施工人員的人身安全形成很大的威脅，同時(shí)會(huì)不同程度地?fù)p壞施工機(jī)械設(shè)備。

(4)影響面廣。隧道發(fā)生坍塌事故會(huì)延長(zhǎng)隧道整體施工工期，增加工程預(yù)算，降低了施工單位的施工質(zhì)量，造成一定的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 隧道圍巖變形失穩(wěn)對(duì)公路施工安全的影響

山嶺區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中，由于影響因素較多，發(fā)生坍塌事故的風(fēng)險(xiǎn)較大，隧道塌方不僅影響工程施工進(jìn)度且增加施工費(fèi)用，嚴(yán)重的還會(huì)威脅到隧道內(nèi)施工作業(yè)人員生命安全，產(chǎn)生較大的安全生產(chǎn)事故。如2012年9月16日，大廣高速B3標(biāo)段江西龍南縣境內(nèi)象形1#隧道左線距洞口20 m處發(fā)生塌方事故，致使16名施工人員被困隧道內(nèi)。2019年1月7日，宣威市楊宣高速公路來(lái)賓段大營(yíng)坡隧道作業(yè)時(shí)，隧道上方泥土塌方，致2人死亡，1人輕傷。

1.3 隧道施工圍巖監(jiān)控量測(cè)的必要性

公路隧道施工具有上述多種致災(zāi)特點(diǎn)，目前在施工過(guò)程中未能開(kāi)發(fā)出有效的監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)行全施工過(guò)程中的圍巖變形監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警。若在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中采用合理有效的方法和設(shè)備對(duì)開(kāi)挖后的圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)了解開(kāi)挖后的各測(cè)點(diǎn)斷面圍巖穩(wěn)定情況，遇見(jiàn)收斂、下沉數(shù)據(jù)異常時(shí)能迅速采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，快速發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)撤離施工作業(yè)人員及機(jī)械設(shè)備，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，進(jìn)行圍巖變形的監(jiān)控量測(cè)是十分必要的，且要求監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的獲得和處理具有極強(qiáng)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2 工程概況

平鎮(zhèn)高速公路起于安康市平利縣城關(guān)鎮(zhèn)龍古村，終點(diǎn)為陜渝界雞心嶺隧道兩省交界處。路線全長(zhǎng)81.445 km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，路基寬度25.5 m，全線橋隧比82.62%。項(xiàng)目地處于山嶺地區(qū)，橋隧比大，且項(xiàng)目隧址地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖等級(jí)較低，路線穿越多條斷層帶、富水帶或臨近水庫(kù)庫(kù)區(qū)，存在斷裂涌突水風(fēng)險(xiǎn)，施工難度大。

秋山隧道為本項(xiàng)目三座控制性隧道工程之一，位于安康市秦巴山區(qū)大巴山的北麓，境內(nèi)以高海拔的石質(zhì)高中山為主，海拔一般在400～3 000 m之間，地勢(shì)總體南高北低。受地質(zhì)構(gòu)造和巖性的控制，嶺脊多為北西走向，少部分為東西走向。隧道左線起訖樁號(hào)為K23+305～K30+947，長(zhǎng)7 642 m；右線起訖樁號(hào)為K23+310～K30+980，長(zhǎng)7 670 m，屬于特長(zhǎng)隧道。

本次研究區(qū)域主要為秋山隧道右洞YK27+080～YK27+120段落，其中YK27+080～YK27+100段圍巖為斷層碎裂巖，受F116斷層影響嚴(yán)重，洞室圍巖極破碎，圍巖穩(wěn)定性差，隧道開(kāi)挖洞頂易坍塌，地下水類型為基巖裂隙水，雨季施工地表水沿?cái)鄬尤霛B，形成突水或涌水現(xiàn)象；YK27+100～YK27+120段洞室為微風(fēng)化云母石英片巖、絹云母片巖，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性一般，洞頂無(wú)支護(hù)時(shí)易坍塌掉塊，側(cè)壁有時(shí)失穩(wěn)。該段洞室地下水類型為基巖裂隙水，洞室開(kāi)挖易出現(xiàn)滴水或淋雨現(xiàn)象，強(qiáng)降雨時(shí)，若遇導(dǎo)通的大裂隙會(huì)出現(xiàn)少量的突水及涌水現(xiàn)象。

3 隧道施工監(jiān)控量測(cè)方案

3.1 監(jiān)控量測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

圖1 周邊收斂及拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

不同的斷面開(kāi)挖方式采用不同的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式，該隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖方式，則每個(gè)開(kāi)挖臺(tái)階設(shè)置1條測(cè)線，拱頂及拱腰測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。根據(jù)隧道埋深、開(kāi)挖寬度、圍巖等級(jí)確定每10m布設(shè)一處測(cè)量斷面且斷面與隧道中線垂直布設(shè)。

3.2 監(jiān)控量測(cè)方法及穩(wěn)定性判據(jù)

秋山隧道施工過(guò)程中，拱頂沉降量采用蘇一光公司的DS05精密水準(zhǔn)儀，儀器精度0.01 mm；隧道周邊收斂量測(cè)采用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)，儀器精度0.06 mm；掌子面、洞壁圍巖和支護(hù)狀況觀察采用目測(cè)觀察。在日常監(jiān)控量測(cè)工作中嚴(yán)格按照J(rèn)TG/T F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，將洞身周邊收斂速率0.1～0.2 mm/d及拱頂沉降速率0.07～0.15 mm/d作為圍巖穩(wěn)定的判定依據(jù)[4]。

3.3 監(jiān)測(cè)斷面間距及監(jiān)測(cè)頻率

本次監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)取自秋山隧道右洞YK27+080～YK27+120自測(cè)點(diǎn)布設(shè)以來(lái)相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)圍巖等級(jí)測(cè)點(diǎn)間距為每10 m設(shè)置一處，監(jiān)測(cè)頻率每天1次[5]。

4 隧道變形失穩(wěn)形式

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面情況，結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，秋山隧道研究段落開(kāi)挖掌子面及洞身段圍巖節(jié)理走向無(wú)規(guī)則、裂隙發(fā)育，整體呈現(xiàn)鑲嵌碎裂狀，并存在裂隙水。以上結(jié)論表明，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和水損失穩(wěn)兩種破壞形式。

4.1 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞

由于壓應(yīng)力集中會(huì)使具有鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)的圍巖產(chǎn)生剪切松動(dòng)，此類圍巖的破壞模式主要表現(xiàn)為破裂松動(dòng)。隧道施工過(guò)程中，由于洞體開(kāi)挖，應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，如果圍巖應(yīng)力超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類圍巖將會(huì)沿著多組已有斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松弛，并圍繞開(kāi)挖洞身形成一定的碎裂松動(dòng)帶。這類松動(dòng)帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當(dāng)有地下水的活動(dòng)參與，極易導(dǎo)致拱頂?shù)奶瓦厜Φ氖Х€(wěn)。

4.2 水損失穩(wěn)破壞

研究表明，絕大多數(shù)隧道坍塌事故發(fā)生過(guò)程中均受水的影響，水是導(dǎo)致隧道發(fā)生坍塌事故的最關(guān)鍵性影響因素。地下水和地表水是導(dǎo)致坍塌事故的兩種水的表現(xiàn)形態(tài)。本項(xiàng)目位于陜南地區(qū)，雨量充沛、河流發(fā)育屬于地表水，隧道中存在的裂隙水屬于地下水。由于水的物理、化學(xué)及力學(xué)作用，松散破碎巖體中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著含水量的增加而降低，后續(xù)巖體中產(chǎn)生的軟化、溶解、潤(rùn)滑、水壓力及機(jī)械沖刷作用使隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致坍塌事故的發(fā)生[6]。

5 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)日常觀測(cè)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究段落YK27+080～YK27+120的周邊收斂量、收斂速率、拱頂沉降量和拱頂沉降速率等相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)分別如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

5.1 周邊收斂、拱頂沉降數(shù)據(jù)直觀分析

由圖2、圖3中數(shù)據(jù)分析可知：周邊累計(jì)收斂值持續(xù)增長(zhǎng)。YK27+80、YK27+90、YK27+100、YK27+110、YK27+120這5個(gè)測(cè)點(diǎn)在各自的觀測(cè)周期內(nèi)，周邊收斂速率整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是YK27+80測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到14.23 mm/d，且只有1 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)0.15 mm/d滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)；YK27+90測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到13.95 mm/d，且只有2 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)，分別為0.19 mm/d、0.13 mm/d；YK27+100測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了26.21 mm/d，且只有1 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)0.18 mm/d滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)；YK27+110測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了16.95 mm/d，且只有2 d 的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)，分別為0.16 mm/d、0.1 mm/d；YK27+120測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了12.15 mm/d，且沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)是滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)的。

圖2 5個(gè)測(cè)點(diǎn)處周邊累計(jì)收斂值

圖3 5個(gè)測(cè)點(diǎn)處周邊收斂速率

由圖4、圖5中數(shù)據(jù)分析可知：拱頂累計(jì)沉降量持續(xù)增長(zhǎng)。YK27+80、YK27+90、YK27+100、YK27+110、YK27+120這5個(gè)測(cè)點(diǎn)在各自的觀測(cè)周期內(nèi)，拱頂沉降速率整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是YK27+80測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了3.25 mm/d，且只有1 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)0.15 mm/d滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)；YK27+90測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了3.9 mm/d，且只有3 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)，分別為0.14 mm/d、0.15 mm/d、0.11 mm/d；YK27+100測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了4.13 mm/d，且只有1 d 的觀測(cè)數(shù)據(jù)0.12 mm/d滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)；YK27+110測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了4.09 mm/d，且只有2 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)，分別為0.12 mm/d、0.09 mm/d；YK27+120測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)峰值達(dá)到了9.69 mm/d，且只有1 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)0.13 mm/d滿足圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。

圖4 5個(gè)測(cè)點(diǎn)處拱頂累計(jì)沉降量

圖5 5個(gè)測(cè)點(diǎn)處拱頂沉降速率

5.2 數(shù)據(jù)函數(shù)擬合預(yù)測(cè)分析

對(duì)某個(gè)測(cè)點(diǎn)采用監(jiān)控量測(cè)方法所得到的數(shù)據(jù)是一組離散型的數(shù)據(jù)，除了上述的數(shù)據(jù)列表、作圖、直觀分析等方式，數(shù)據(jù)的函數(shù)擬合回歸分析更有利于直觀反應(yīng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和規(guī)律，以及預(yù)測(cè)隧道洞身開(kāi)挖后圍巖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[10]，以及及時(shí)采取工程處置措施或調(diào)整施工方案。對(duì)收集到的周邊收斂及拱頂沉降相關(guān)數(shù)據(jù)分別采用指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到了置信度最高的擬合函數(shù)如表1所示。

表1 周邊收斂及拱頂沉降相關(guān)數(shù)據(jù)函數(shù)擬合統(tǒng)計(jì)表

由于規(guī)范中用周邊收斂速率和拱頂沉降速率作為隧道施工圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定判定依據(jù)，所以研究重點(diǎn)對(duì)周邊收斂速率及拱頂沉降速率所能分別達(dá)到規(guī)范要求值的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，用于與目前實(shí)際測(cè)量天數(shù)達(dá)到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。以測(cè)點(diǎn)YK27+80為例(其余測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)計(jì)算過(guò)程相同，不再贅述)，將周邊收斂速率及拱頂沉降速率的擬合式分別代入到相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定判據(jù)中，預(yù)測(cè)計(jì)算出的結(jié)果為：周邊收斂速率滿足穩(wěn)定判據(jù)的天數(shù)是43～50 d，拱頂沉降速率滿足穩(wěn)定判據(jù)的天數(shù)是63～77 d。也就是說(shuō)，目前的開(kāi)挖監(jiān)控量測(cè)天數(shù)還未能達(dá)到預(yù)測(cè)穩(wěn)定的天數(shù)。

對(duì)采集到的周邊收斂及拱頂沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析和函數(shù)擬合預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明，在整個(gè)觀測(cè)研究區(qū)域YK27+80～YK27+120段落內(nèi)，周邊收斂及拱頂沉降數(shù)據(jù)不滿足規(guī)范要求的圍巖穩(wěn)定判定依據(jù)，圍巖仍處于較大變形階段，這與施工現(xiàn)場(chǎng)該段落產(chǎn)生初支侵限情況吻合，此情況出現(xiàn)可能造成文中分析的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

5.3 存在問(wèn)題處置方案及數(shù)據(jù)復(fù)測(cè)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)初支侵限情況，初步擬采用提高初支支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，并采用監(jiān)控量測(cè)方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處置方案的處置效果進(jìn)行核準(zhǔn)驗(yàn)證。地勘資料顯示，YK27+80～YK27+100處圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖，原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為S斷，YK27+100～YK27+120處圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)圍巖，原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為SⅣ-1。各段落不同圍巖等級(jí)下原支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 各段落不同圍巖等級(jí)下原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)一覽表

由于YK27+80～YK27+120段落處于變形期，在隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生了初支侵限問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題及時(shí)對(duì)該段落支護(hù)形式進(jìn)行變更處置，原S斷支護(hù)參數(shù)不變，將SⅣ-1支護(hù)參數(shù)提高為S斷支護(hù)參數(shù)，對(duì)該段落上、下導(dǎo)采用I20a工字鋼進(jìn)行背拱處置，由掌子面方向向出口方向順序施工，間距為60 cm，并對(duì)每榀鋼拱架接頭處增設(shè)4根5 m長(zhǎng)的?50×4 mm的鎖腳鋼管，對(duì)處置后的該段落進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)復(fù)測(cè)，其復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。

YK27+80～YK27+120段落經(jīng)過(guò)工程措施處置后，同樣通過(guò)數(shù)據(jù)直觀分析及函數(shù)擬合分析，從各測(cè)點(diǎn)的位移變化來(lái)看，周邊收斂速率及拱頂沉降速率均呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)，且逐漸處于圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，根據(jù)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示可判斷該段落圍巖已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 各測(cè)點(diǎn)處置后周邊收斂速率

表4 各測(cè)點(diǎn)處置后拱頂沉降速率

6 結(jié)論及建議

通過(guò)分析收集到的周邊收斂及拱頂沉降數(shù)據(jù)，結(jié)果表明研究段落YK27+080～YK27+120內(nèi)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)未能達(dá)到規(guī)范中圍巖穩(wěn)定的判定標(biāo)準(zhǔn)，施工過(guò)程中洞身仍處于較大變形階段。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)洞身開(kāi)挖后初期支護(hù)出現(xiàn)侵限問(wèn)題，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取了工程處置措施，并提高了該施工段落的初期支護(hù)參數(shù)。對(duì)處置后的該段落進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)測(cè)，結(jié)果表明周邊收斂速率及拱頂沉降速率均呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)，且逐漸處于圍巖穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，可判定處置后圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。建議后續(xù)施工過(guò)程中，為了有效預(yù)防洞身坍塌事故，應(yīng)做好日常監(jiān)控量測(cè)工作，如遇數(shù)據(jù)異常及時(shí)采取處置措施并調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保人員及主體結(jié)構(gòu)安全。