膨脹軟巖隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測與變形規(guī)律研究

孫光吉 王延濤 閆常赫 李 波

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.中鐵三局橋隧公司， 河北邯鄲 05600)

膨脹軟巖隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測與變形規(guī)律研究

孫光吉1王延濤1閆常赫1李 波2

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.中鐵三局橋隧公司， 河北邯鄲 05600)

“新奧法”廣泛應(yīng)用于隧道施工領(lǐng)域，監(jiān)控量測作為“新奧法”的重要工序，能夠提供準(zhǔn)確的初支變形信息，如隧道拱頂下沉，周邊收斂等，從而有效指導(dǎo)隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工。以太岳山隧道為例，分析膨脹軟巖隧道的變形與受力特點(diǎn)，對(duì)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)膨脹軟巖隧道圍巖變形規(guī)律。

膨脹 軟巖 穩(wěn)定性 監(jiān)控量測 變形

新奧法施工技術(shù)的推廣，使我國山嶺鐵路隧道施工技術(shù)上了一個(gè)大臺(tái)階。在隧道施工過程中，監(jiān)控量測被認(rèn)為是保障施工安全、優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的主要方法，在隧道施工中具有十分重要的作用，也是新奧法施工的重要內(nèi)容之一，但監(jiān)測工作一直都難以得到很好的實(shí)施，隧道施工過程中不做、少做監(jiān)測成為一個(gè)普遍存在的問題，即使保質(zhì)保量地完成了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)也難以發(fā)揮真正的作用[1]。目前，膨脹軟巖隧道的研究雖已取得了一定進(jìn)展，但是膨脹軟巖隧道的支護(hù)措施、斷面尺寸、二襯時(shí)間等仍未達(dá)成共識(shí)，施工中存在著這樣那樣的問題[2-7]。以太岳山隧道施工存在的問題為例，結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果分析膨脹軟巖隧道變形及受力特點(diǎn)，并總結(jié)膨脹軟巖變形規(guī)律，為制定行之有效的施工措施提供依據(jù)。

1 工程概況

山西中南部鐵路太岳山隧道位于沁水坳陷郭道—安澤復(fù)式背斜西翼，緊鄰沁水坳陷與臨汾—運(yùn)城新裂陷交界帶張莊背斜、浮山大斷裂交接處。隧道洞身穿過地層主要巖性以二疊系上統(tǒng)石盒子組和石千峰組的砂巖、砂質(zhì)泥巖互層為基本特征。受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響，斷裂和次級(jí)褶皺發(fā)育，巖體破碎。隧洞區(qū)屬于多層含水的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，即弱含水的砂巖與相對(duì)隔水層的泥巖相互間層，施工涌水量不大[8-9]。

砂巖成分以石英、長石和巖屑等為主，含少量黏土礦物，膠結(jié)以鈣、鐵為主，呈中厚層—厚層狀。巖石堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，物理力學(xué)參數(shù)平均值：飽和抗壓強(qiáng)度Rw=40～80 MPa，軟化系數(shù)KR=0.66。由于砂巖中含有少量黏土礦物，其水理性質(zhì)較差。砂質(zhì)泥巖，厚層狀，為泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分為黏土礦物(伊利石一蒙脫石混層，高嶺石和綠泥石)，含量約50%。碎屑物為石英、長石、云母等，巖石較軟弱，抗風(fēng)化能力弱，且具膨脹性。物理力學(xué)參數(shù)平均值：飽和抗壓強(qiáng)度Rw=31.1 MPa，軟化系數(shù)KR=0.26，部分代表性試樣試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 太岳山隧道泥巖膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

施工過程中，多次出現(xiàn)工作面局部坍塌、內(nèi)鼓變形、侵限等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工，現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工方案，確保了工程的安全施工。

2 監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容

隧道工程施工監(jiān)控量測主要包括地質(zhì)條件和支護(hù)狀態(tài)觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、圍巖內(nèi)部位移、圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力、鋼支撐內(nèi)力[10]等，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，主要采用地質(zhì)條件和支護(hù)狀態(tài)現(xiàn)場觀察、拱頂下沉、水平位移收斂的方法，對(duì)圍巖地質(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確判別，對(duì)隧道初支變形進(jìn)行監(jiān)控。

2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描[11]是隧道設(shè)計(jì)和施工過程中不可缺少的地質(zhì)工作，可以準(zhǔn)確、直觀、簡單的描述圍巖地質(zhì)特征，是控制隧道準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和安全施工的防線。太岳山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖特征多變，在施工過程中，加大了地質(zhì)素描頻率，力求第一時(shí)間掌握地質(zhì)變化情況，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 位移監(jiān)測

隧道開挖初支完成后，淺埋隧道的地表沉降、深埋隧道的初支變形、偏壓隧道的整體偏移是隧道監(jiān)控量測的重點(diǎn)內(nèi)容。太岳山隧道埋深相對(duì)較大，隧道開挖后的位移集中體現(xiàn)在初支變形，對(duì)隧道周邊位移的監(jiān)控量測是評(píng)判太岳山隧道變形最簡單、有效的的手段。

2.3 斷面選取與測線布置

選取了不同工況、不同斷面尺寸、不同圍巖地質(zhì)條件的4個(gè)典型斷面(見表2)，進(jìn)行多角度變形比較，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析工況、斷面對(duì)隧道變形規(guī)律的影響。

表2 施工監(jiān)控量測斷面

隧道正洞設(shè)計(jì)為雙車道大斷面，采用兩臺(tái)階開挖方式施工，故分別在上、下臺(tái)階布置BD，AE兩條水平測線；隧道斜井設(shè)計(jì)為單車道小斷面，施工采用全斷面開挖方式，觀測點(diǎn)布置如圖1、圖2所示。

圖1 大斷面量測點(diǎn)布置

圖2 小斷面量測點(diǎn)布置

3 監(jiān)控量測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 地質(zhì)素描情況

XJ0+810工作面開挖揭示圍巖以紫紅色泥巖為主，受水影響，泥巖軟化，表面覆蓋泥化物，層理不清晰，節(jié)理裂隙較發(fā)育，張開節(jié)理內(nèi)填充青灰色泥狀物，干燥—潮濕，整體穩(wěn)定性較差，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

DK399+535、DK399+650斷面工作面開挖揭示圍巖以紫紅色泥巖為主，拱頂潮濕—滲滴水，泥巖受水軟化，表面呈糊狀，層理不清晰，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

DK401+990工作面開挖揭示上臺(tái)階為泥巖夾砂巖，受向斜構(gòu)造影響，巖體受擠壓明顯，巖體破碎，產(chǎn)狀雜亂，豎向節(jié)理發(fā)育，同時(shí)發(fā)育有一組傾向洞軸方向節(jié)理。拱部多處股狀涌水，泥巖受水影響軟化，開挖后圍巖不能自穩(wěn)，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

3.2 斷面施工情況

現(xiàn)場施工過程中，根據(jù)新奧法原理采用短進(jìn)尺、勤量測、快通過的原則，XJ0+810斷面開挖中初期支護(hù)采用格柵鋼架支護(hù)，沉降和水平收斂在可控范圍。DK399+535斷面開始沒有采用格柵鋼架支護(hù)，后來變形增大，邊墻出現(xiàn)開裂的情況，且右側(cè)邊墻向隧道空間內(nèi)鼓出。后期采用預(yù)留核心土、三臺(tái)階開挖、增加鋼架套拱的方式控制住變形，變形量逐漸趨于穩(wěn)定。DK399+650斷面前的巖樣膨脹試驗(yàn)顯示，該段泥巖具有弱—中膨脹性，現(xiàn)場采用H20工字鋼支護(hù)，有效控制隧道變形量。DK401+990斷面受構(gòu)造影響，圍巖富水，開挖過程中掉塊頻繁，采用工字鋼支護(hù)，變形預(yù)留量較大，能夠滿足沉降及水平收斂要求。

3.3 隧道拱頂下沉

由不同斷面的觀測數(shù)據(jù)比較圖可以看出：各斷面拱頂下沉相差較大，累計(jì)下沉量數(shù)值上相差甚至達(dá)10倍。結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，可總結(jié)得到以下規(guī)律：

(1)每個(gè)斷面在下臺(tái)階開挖時(shí)，下沉曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拱頂下沉量有突變，這是因?yàn)橄屡_(tái)階(中臺(tái)階)開挖時(shí)二次爆破造成的，但經(jīng)過一段時(shí)間仍能趨于穩(wěn)定。

(2)由圖3可以看出，同等地質(zhì)條件和支護(hù)方式下，DK399+535斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于XJ0+810斷面，說明拱頂沉降與斷面尺寸有關(guān)。

(3)由圖4可以看出，同等地質(zhì)條件和斷面尺寸下，DK399+535斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明拱頂沉降與支護(hù)方式有關(guān)。

(4)由圖5可以看出，同等支護(hù)方式和斷面尺寸下，DK401+990斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明拱頂沉降與地質(zhì)條件有關(guān)。

圖3 不同斷面尺寸拱頂沉降的對(duì)比

圖4 不同支護(hù)參數(shù)拱頂沉降的對(duì)比

圖5 不同地質(zhì)條件拱頂沉降的對(duì)比

3.4 上臺(tái)階收斂

由不同斷面的觀測數(shù)據(jù)比較圖可以看出，各斷面收斂量相差較大，結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，可總結(jié)得到以下規(guī)律：

(1)四個(gè)斷面的上臺(tái)階水平收斂曲線均出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)，這與實(shí)際采用三臺(tái)階開挖的施工情況相符。

(2)由圖6可以看出，同等地質(zhì)條件和支護(hù)方式下，DK399+535斷面水平收斂遠(yuǎn)大于XJ0+810斷面，說明水平收斂與斷面尺寸有關(guān)。

(3)由圖7可以看出，同等地質(zhì)條件和斷面尺寸下，DK399+535斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明上臺(tái)階水平收斂與支護(hù)方式有關(guān)。

(4)由圖8可以看出，同等支護(hù)方式和斷面尺寸下，DK401+990斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明上臺(tái)階水平收斂與地質(zhì)條件有關(guān)。

圖6 不同斷面尺寸上臺(tái)階收斂的對(duì)比

圖7 不同支護(hù)參數(shù)上臺(tái)階收斂的對(duì)比

圖8 不同地質(zhì)條件上臺(tái)階收斂的對(duì)比

3.5 下臺(tái)階收斂

各斷面下臺(tái)階收斂曲線的分布趨勢與上臺(tái)階的基本相同，結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，總結(jié)規(guī)律如下：

①所有斷面的下臺(tái)階的收斂值小于上臺(tái)階的收斂值，這是因?yàn)橄屡_(tái)階仰拱開挖以后，與初支封閉成環(huán)，對(duì)斷面的變形量控制起到較大作用，所以收斂值更小一些。

②DK401+990、DK399+535斷面下臺(tái)階收斂曲線都有一個(gè)明顯拐點(diǎn)，是下臺(tái)階開挖造成的變形突變。

③由圖9可以看出，同等地質(zhì)條件和斷面尺寸下，DK399+535斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明下臺(tái)階水平收斂與支護(hù)方式有關(guān)。

④由圖10可以看出，同等支護(hù)方式和斷面尺寸下，DK401+990斷面拱頂沉降遠(yuǎn)大于DK399+650斷面，說明下臺(tái)階水平收斂與地質(zhì)條件有關(guān)。

圖9 不同支護(hù)參數(shù)下臺(tái)階收斂的對(duì)比

圖10 不同地質(zhì)條件下臺(tái)階收斂的對(duì)比

4 圍巖變形影響因素分析

依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測資料，圍巖變形主要由工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)、施工三方面因素決定。工程地質(zhì)條件對(duì)太岳山隧道變形的影響主要表現(xiàn)在：初始地應(yīng)力(埋深)、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖石組成、地下水等方面。斷面尺寸和開挖方式也是隧道變形的重要影響因素[11-20]。

(1)初始地應(yīng)力是影響隧道穩(wěn)定性的根本因素，主要表現(xiàn)在隧道埋深，但埋深小于200 m時(shí)，隧道埋深對(duì)隧道變形的影響并不明顯。(2)地質(zhì)構(gòu)造決定了巖體的完整程度，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段，巖體破碎，地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。DK401+990斷面說明了這一點(diǎn)。(3)地層巖性決定了裂隙大小、發(fā)育程度及聯(lián)通相。太岳山隧道砂巖、泥巖巖質(zhì)較軟，泥巖具弱—中膨脹性，具有遇水膨脹，失水收縮，膠結(jié)性差、變形性大、低應(yīng)力下蠕變等特征，工程地質(zhì)性質(zhì)差，這也是初支已采用工字鋼支護(hù)，仍會(huì)有較大變形的原因。(4)隧道開挖改變了原來地下水的滲流通道，地下水沿原有的及爆破形成的裂隙滲流，降低了結(jié)構(gòu)面的粘聚力，沖刷充填物，加劇了圍巖的侵蝕和泥化。(5)膨脹軟巖的尺寸效應(yīng)在太岳山隧道的開挖中表現(xiàn)明顯：同等工程地質(zhì)條件下，小尺寸斷面的拱頂沉降和水平收斂量都很小，很少出現(xiàn)拱頂和邊墻開裂、外鼓的情況。(6)太岳山隧道開挖中局部段落采用全斷面開挖，拱頂?shù)魤K、邊墻開裂頻繁，改用兩臺(tái)階或三臺(tái)階后，隧道變形情況明顯改善。

5 結(jié)論

太岳山隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，圍巖差，局部地段巖層富水，掉塊、初支變形經(jīng)常發(fā)生，現(xiàn)場通過監(jiān)控量測反饋信息，及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，調(diào)整圍巖級(jí)別及支護(hù)參數(shù)，保證了施工安全和進(jìn)度，得到以下結(jié)論，希望為類似工程提供依據(jù)：(1)二疊系石盒子、石千峰泥巖巖質(zhì)較軟，具有弱—中膨脹性，施工中初期支護(hù)宜采用高強(qiáng)度和高剛度的支護(hù)方式，否則難以控制變形，因?yàn)榕蛎浤鄮r還具有蠕變特性，前期不控制住變形，后期變形會(huì)更加明顯，以致出現(xiàn)開裂、內(nèi)鼓甚至侵限。

(2)與全斷面都是泥巖的情況相比，泥巖夾砂巖或者砂巖夾泥巖的情況更易出現(xiàn)滲涌水等情況，泥巖吸水膨脹、崩解，強(qiáng)度迅速降低，變形量更大，宜采用工字鋼支護(hù)。

(3)從監(jiān)控量測結(jié)果及已有工程實(shí)例來看，小斷面的隧道變形量明顯小于大斷面，尤其是在膨脹泥巖隧道中這一結(jié)論更為重要，在今后同樣工程地質(zhì)條件的地下工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)比選出最優(yōu)斷面，以保證隧道開挖的安全、有序施工。

(4)比較上臺(tái)階和下臺(tái)階的監(jiān)控量測結(jié)果可以看出：上臺(tái)階的水平收斂遠(yuǎn)大于下臺(tái)階的變形量，這是仰拱開挖填充后封閉成環(huán)的結(jié)果，所以施工時(shí)應(yīng)注意，下臺(tái)階開挖和仰拱開挖都需緊盯工作面，縮短與工作面的距離，這樣能夠迅速形成整體支護(hù)系統(tǒng)，提高初支效率。

(5)監(jiān)控量測是新奧法施工的重要組成，通過地質(zhì)素描、變形測量，能夠及時(shí)掌握工作面周圍的圍巖動(dòng)態(tài)，對(duì)圍巖變化迅速作出反饋，有利于設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。

(6)隧道施工，安全第一，除了現(xiàn)場的監(jiān)控量測以外，還應(yīng)根據(jù)圍巖的情況，補(bǔ)充超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)工作，對(duì)中、長距離的圍巖情況先予把握，再結(jié)合短距離的監(jiān)控量測、地質(zhì)素描方能萬無一失，確保施工質(zhì)量和人員財(cái)產(chǎn)安全。

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ResearchofOn-siteSupervisionSurveyandDeformationRuleofSwellSoftRockTunnel

SUN Guang-ji WANG Yan-tao YAN Chang-he LI Bo

2014-05-29

孫光吉(1982—)，男，2010年畢業(yè)于蘭州大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)04-0036-04

U45

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