聶軍委

(鐵正檢測科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來工程地質(zhì)界對于軟巖的定義也有了共識[1]，并建立了較為完善的理論體系和實(shí)踐技術(shù)指南，劉志春等[2]以烏鞘嶺隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析了擠壓性圍巖隧道大變形的基本特征和機(jī)理；何滿潮[3]針對深部軟巖工程問題，從巖石吸水、不對稱結(jié)構(gòu)面、巖爆、高溫高濕的環(huán)境以及溫度-壓力耦合作用下氣體運(yùn)移等方面論述了深部軟巖工程的變形破壞機(jī)理；關(guān)寶樹[4]總結(jié)了國內(nèi)外控制隧道開挖后變形的基本對策：李術(shù)才等[5]就大變形的定義、分類、形成機(jī)制、判定標(biāo)準(zhǔn)及工程對策等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和討論；李國良等[6]對烏鞘嶺隧道嶺脊地段的變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)概況

梅家溝隧道隧址區(qū)位于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。隧道全長2.38 km，梅家溝隧道左線和右線均為Ⅴ級圍巖。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)滴狀為主，局部斷層破碎帶地段有涌突水。

2 監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測概況

根據(jù)九綿高速隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)平臺導(dǎo)出的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，繪制斷面變形速率極值和累計(jì)值如圖1所示。

分析可知，梅家溝隧道左、右洞的周邊收斂累計(jì)值普遍在150 mm以上，而拱頂下沉量累計(jì)值普遍在50 mm以上，可知該隧道收斂大變形為主，拱頂下沉較小，其量值比率在2～6之間，而對現(xiàn)場初支狀況的觀察，現(xiàn)場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，邊墻大面積剝落，而初支拱頂狀態(tài)較為完整，一定程度上驗(yàn)證了監(jiān)測結(jié)果和現(xiàn)場變形的匹配性。

2.2 存在問題

1)現(xiàn)場監(jiān)控?cái)嗝婕皵嗝鏈y點(diǎn)的布設(shè)原則遵循公路隧道施工技術(shù)規(guī)范及參考了鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程，按照規(guī)范中從嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)確定斷面間距和測點(diǎn)數(shù)量以及監(jiān)測項(xiàng)目[7]，但是在本工程軟巖地質(zhì)中，已有監(jiān)測項(xiàng)目難以滿足工程施工需要，風(fēng)險(xiǎn)極高[8]。

2)數(shù)據(jù)預(yù)警指標(biāo)沿用傳統(tǒng)的分析方法，即前者遵循三分點(diǎn)定位原則，而極限變形量的確定長期以來具有爭議，特別是軟巖大變形隧道，可參考性尚待商榷。

3)采集數(shù)據(jù)的分析方法大多采用規(guī)范給定的作圖法，但在軟巖隧道中，該方法不僅沒有考慮開挖到布點(diǎn)之間的圍巖發(fā)生的沉沒變形，而且對于流變性較為明顯的地質(zhì)中，變形不穩(wěn)定問題，即無法通過回歸分析確定穩(wěn)定值，因此同樣需要對數(shù)據(jù)分析進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化監(jiān)測方案

為提高施工監(jiān)測的質(zhì)量，提供有效、合理的結(jié)論和建議，切實(shí)評價(jià)現(xiàn)場作業(yè)效果，指導(dǎo)和優(yōu)化施工方案，對目前的監(jiān)控方案進(jìn)行了優(yōu)化，對隧道單點(diǎn)三維變形、單點(diǎn)徑向變形進(jìn)行開展量測，并現(xiàn)場針對收斂變形及時(shí)預(yù)警做了研究。

3.1 隧道單點(diǎn)位移三維量測設(shè)備研制

單點(diǎn)位移三維量測裝置如圖2所示。

本量測裝置是由錨固模塊、基點(diǎn)傳導(dǎo)模塊、位移量測模塊和封閉模塊組成，錨固模塊是由樹脂藥卷或水泥藥卷錨固劑與錨固管組成，可與巖體牢固粘合；基點(diǎn)傳導(dǎo)模塊與錨固模塊螺紋連接；位移量測模塊采用分離式機(jī)械法量測，其中一根剛性桿件作為水平橫向位移量測基點(diǎn)，延伸至擴(kuò)大孔中，另一根作為水平縱向和豎向位移的量測基點(diǎn)，采用激光燈和方格板直觀顯示當(dāng)前的沿隧道縱向和豎向的位移量值；封閉模塊可有效保護(hù)裝置免受外力損傷。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析建議

針對梅家溝隧道前期所積累的部分監(jiān)控量測的資料，以次為基礎(chǔ)，且可不斷添加新的資料為依托，采用概率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析，以獲取不斷完善的、有量值判斷價(jià)值的變形門檻值。

1)對監(jiān)測到的變形，可分類為拱頂下沉和各斷面的收斂，這些值又可分為累計(jì)值和速率值。2)對電子表格Excel上的數(shù)據(jù)按變形量(或變形速率)的大小自動進(jìn)行排序，測試次數(shù)，可用Ni來表示，這時(shí)每一測試值對應(yīng)的Ni=1。3)對已排序的變形(或變形速率)值，按圖1所示從小到大等分劃分為若干變形段，一般分為10段～30段，可以統(tǒng)計(jì)每個變形段的Ni值，這時(shí)Ni值一般為等于或大于1。4)以各個柱狀變形的中心點(diǎn)為變形值(mm)，縱坐標(biāo)值Ni不變，這時(shí)的縱坐標(biāo)Ni應(yīng)去掉下標(biāo)i而改為N值,它的物理意義為:小于某個變形量實(shí)測的次數(shù)，再次進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到每個變形區(qū)間中的分布概率。

3.3 應(yīng)用案例

基于該結(jié)構(gòu)可靠度原理[9]，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞監(jiān)控值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從開工監(jiān)控初始斷面開始建立該支護(hù)形式下結(jié)構(gòu)可靠度概率分布圖，如圖3所示。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來自實(shí)際工程，它綜合考慮了不同的巖性、不同的儀器誤差、不同的施工技術(shù)、不同的人員水平的共同影響[10]，且這個統(tǒng)計(jì)關(guān)系隨著工程進(jìn)度和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的增加是可不斷完善而變得更加可信，無限接近于極限位移值。

結(jié)合梅家溝隧道具體施工工況，選取5%，10%，15%三個超越概率，確定預(yù)警級別，分別為紅色預(yù)警、橙色預(yù)警、黃色預(yù)警，并反推其預(yù)警門值如表1所示。

通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得到的不同超越概率下的預(yù)警門值與相關(guān)規(guī)范相對比，可知該預(yù)警體系相對寬松，與現(xiàn)場新奧法施工更相匹配，在保證現(xiàn)場安全施工和進(jìn)度的前提下，極大程度上降低了預(yù)警停工頻率。

4 支護(hù)對策優(yōu)化分析

針對軟巖大變形的技術(shù)難題，現(xiàn)場進(jìn)行了大量探討和嘗試，形成優(yōu)化支護(hù)方案，如表2所示，并針對此方案進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)。

表2 梅家溝隧道優(yōu)化支護(hù)方案

4.1 數(shù)值模擬分析

隧道開挖作為典型的三維空間問題，本模擬方案采用優(yōu)化方案的支護(hù)工藝流程。模擬順序?yàn)橄葓?zhí)行開挖1.5 m進(jìn)尺，安裝鋼拱架，在隧道上部掘長度為4.5 m，直徑42 mm的孔，安裝注漿導(dǎo)管，形成超前預(yù)支護(hù)罩，然后在兩相鄰鋼拱架之間施作噴射混凝土，最后在掘進(jìn)工作面前方安裝水平錨桿。

通過對隧道關(guān)鍵點(diǎn)(拱頂、隧底、拱腰、隧道地表)的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，除隧底發(fā)生豎向隆起外，其余均呈現(xiàn)相似規(guī)律的下沉，其中地表下沉量最大為15 mm。

如圖4所示，在隧道周邊發(fā)生大范圍的塑性屈服，其中隧底范圍最大達(dá)9.8 m，開挖面前方5 m處以及邊墻深部6 m處均發(fā)生塑性破壞，施加優(yōu)化支護(hù)方案后，錨桿所形成的拱效應(yīng)有效利用了塑性區(qū)圍巖的承載拱，對圍巖發(fā)揮良好的支撐束縛作用，而鋼拱架和噴射混凝土則有效發(fā)揮了承壓作用。

對比圍巖塑性區(qū)分布，對初期支護(hù)的受力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖5所示，初期支護(hù)受力不均勻，范圍在2 000 N·m～8 890 N·m，并且在開挖節(jié)點(diǎn)處受力較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。通過對超前錨桿的受力進(jìn)行計(jì)算，得到如圖6所示結(jié)果，錨桿最大軸力為180 kN，錨桿所受圍巖最大的剪力為114 kN，結(jié)果表明，超前錨桿發(fā)揮作用比較充分，有效利用了錨桿的承載性能，一定程度上減輕了初期支護(hù)的圍巖壓力，在初期支護(hù)形成有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)之前，保障了巖體的穩(wěn)定。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)段監(jiān)測

通過對現(xiàn)場淺埋層狀軟巖分布典型的里程作為試驗(yàn)段，實(shí)施優(yōu)化方案之后的初支變形監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。針對試驗(yàn)斷面進(jìn)行39 d監(jiān)測結(jié)果顯示，周邊收斂速率預(yù)警出現(xiàn)7次，量值是8.9 mm/d，拱頂下沉尚未出現(xiàn)預(yù)警，日最大下沉量值為4.6 mm/d，且在20 d后出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，累計(jì)變形量大幅度降低，其中周邊收斂累計(jì)變形量為111 mm，拱頂下沉變形量為63.6 mm，相較于優(yōu)化前440 mm和150 mm，降低幅度分別為74.5%和58%，試驗(yàn)段監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場較好的支護(hù)狀態(tài)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

5 結(jié)語

1)隧道監(jiān)控量測針對不同地質(zhì)確定主要項(xiàng)目對于指導(dǎo)現(xiàn)場施工具有重要意義，本文提出的隧道單點(diǎn)三維變形量測有效解決了隧道偏壓監(jiān)測難題，并對不同部位根據(jù)數(shù)據(jù)量采用不同的支護(hù)措施。

2)工程可靠度概念分析有效降低了現(xiàn)場預(yù)警頻率，提升了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)化、合理化。

3)本文所提出的各工序的支護(hù)參數(shù)，使各支護(hù)單體形成有效的協(xié)同作用整體，共同抑制了圍巖的有害變形，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。