軟弱圍巖隧道CRD法施工圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

張濤

(神華包神鐵路集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

軟弱圍巖隧道CRD法施工圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

張濤

(神華包神鐵路集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

通過(guò)對(duì)新建鐵路巴準(zhǔn)線上十幾座軟弱圍巖隧道CRD法施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，獲取隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)隧道施工過(guò)程中圍巖變形特性，得到圍巖變形穩(wěn)定時(shí)拱頂沉降值和周邊收斂值，以此確定軟弱圍巖隧道CRD法施工階段圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，可為同類隧道施工圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

軟弱圍巖 CRD法 拱頂沉降 周邊收斂 圍巖穩(wěn)定性 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在隧道工程研究領(lǐng)域，關(guān)于隧道圍巖穩(wěn)定性國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多理論分析和試驗(yàn)研究。由于隧道圍巖條件復(fù)雜多變，理論分析方法和試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃茈y真實(shí)表達(dá)復(fù)雜的地質(zhì)條件，使得研究結(jié)果與實(shí)際相差很大。如何確定準(zhǔn)確可靠的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，是隧道工程研究應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題［1-4］。

本文以內(nèi)蒙古新建鐵路巴準(zhǔn)線上的十幾座隧道工程為背景，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)獲取隧道圍巖位移發(fā)展變化信息，然后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而確定出相應(yīng)的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。隧道圍巖位移是圍巖變化最直觀的外在反映，支護(hù)系統(tǒng)的破壞或圍巖的坍塌都是位移發(fā)展超過(guò)某一限度的結(jié)果。因此本文提出的以圍巖位移變化信息為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用來(lái)評(píng)價(jià)隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，判斷圍巖動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中存在的安全隱患，為選擇合適的施工方案和優(yōu)化措施提供科學(xué)依據(jù)。這可提高施工效率，實(shí)現(xiàn)隧道“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”的科學(xué)管理機(jī)制。

巴準(zhǔn)線隧道圍巖主要為砂巖夾泥巖，上覆黃土覆蓋層，強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化，巖質(zhì)軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，以Ⅴ級(jí)圍巖為主，部分地段為Ⅵ級(jí)圍巖，均采用CRD法施工?，F(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》提出了隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移參考值，僅適用于按照特定參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)合式襯砌的支護(hù)，對(duì)于軟弱圍巖CRD法施工初期支護(hù)極限位移值沒(méi)有給出明確規(guī)定。因此本文所提出的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要針對(duì)軟弱圍巖中CRD法施工而提出，并用來(lái)評(píng)價(jià)其施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。

1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

隧道施工中拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測(cè)是監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目。本文通過(guò)大量拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)［5-6］。

1)拱頂沉降

拱頂沉降是隧道拱頂相對(duì)于洞外某不動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)沉降位移值。在拱頂測(cè)點(diǎn)粘貼反光片，用全站儀非接觸測(cè)量測(cè)點(diǎn)高程和絕對(duì)沉降值，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。在隧道軸線方向每3～5 m布置1個(gè)斷面，每個(gè)斷面2個(gè)測(cè)點(diǎn)，按照《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》確定監(jiān)測(cè)頻率。監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整，特別是在工序轉(zhuǎn)化階段，但不應(yīng)低于規(guī)范的要求。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面布置示意

2)周邊收斂

周邊收斂是隧道內(nèi)壁兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移，與拱頂沉降布置在同一斷面。每個(gè)斷面分別在拱腰和墻腰埋設(shè)測(cè)點(diǎn)和反光片，全站儀非接觸量測(cè)方法進(jìn)行對(duì)邊測(cè)量，得到測(cè)線長(zhǎng)度和收斂變化值(參見(jiàn)圖1)。量測(cè)頻率與拱頂沉降一致。

2 圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

首先，收集到巴準(zhǔn)線海子塔隧道、后碾房隧道、保佬兔溝隧道以及潘家圪塄隧道等十幾座隧道251個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)斷面和272個(gè)周邊收斂監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)。其次，應(yīng)用Matlab程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，得到監(jiān)測(cè)位移值在正態(tài)分布下的區(qū)間概率，進(jìn)而得到圍巖的變形穩(wěn)定值均值，即圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定階段的累計(jì)位移值，以此作為圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的控制位移。最后，分析典型斷面的圍巖位移變化特性，提出以位移變化速率和加速度為控制標(biāo)準(zhǔn)的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)［7-11］。

2.1 位移評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)拱頂沉降

圍巖拱頂沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2，利用MatLab對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，得到拱頂沉降概率直方圖，見(jiàn)圖3。

圖2 圍巖拱頂沉降統(tǒng)計(jì)

圖3 拱頂沉降概率直方圖

2)周邊收斂

圍巖周邊收斂統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4。周邊收斂概率直方圖見(jiàn)圖5。

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)正態(tài)分布函數(shù)擬合得到圍巖拱頂沉降與周邊收斂的正態(tài)分布擬合函數(shù)如表1所示，其中μ為穩(wěn)定變形數(shù)據(jù)的均值，σ為穩(wěn)定變形數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

基于圍巖位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，將軟弱圍巖隧道CRD法施工圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，以正態(tài)分布函數(shù)擬合得到的μ，σ確定拱頂沉降和周邊收斂的控制位移值指標(biāo)，如表2所示。

圖5 周邊收斂概率直方圖

表1 隧道拱頂沉降與周邊收斂正態(tài)分布擬合函數(shù)

表2 Ⅴ級(jí)圍巖隧道CRD法施工穩(wěn)定性評(píng)價(jià)位移建議值

2.2 速率和加速度評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)拱頂沉降

通過(guò)對(duì)巴準(zhǔn)線上十幾座隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)嗝孀畲笕站绊敵两到咏?0.0 mm/d，最大日均周邊收斂接近5.0 mm/d。當(dāng)采用CRD法進(jìn)行隧道施工時(shí)，所有斷面拱頂沉降和周邊收斂具有相似的位移變化特性。本文選取后碾房梁隧道Ⅴ級(jí)圍巖DK122+311斷面拱頂沉降進(jìn)行位移特性分析，其拱頂累計(jì)沉降、拱頂沉降速率和拱頂沉降加速度曲線如圖6所示。

圖6 DK122+311斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

DK122+311斷面拱頂累計(jì)沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間為47 d，累計(jì)沉降值為175.9 mm。由圖6可知，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)的前一周，沉降變化較大，第4 d沉降速率達(dá)到9.9 mm/d，第2 d沉降加速度達(dá)到9.4 mm/d2。該階段的沉降主要由上部導(dǎo)洞開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力釋放引起。接下來(lái)幾天沉降逐漸變緩，到第15 d左右沉降出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)，沉降速率達(dá)到9.7 mm/d，沉降加速度達(dá)到7.1 mm/d2。該階段的沉降變化主要由中部導(dǎo)洞開(kāi)挖引起。到第30 d左右，沉降又一次出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)，沉降速率8.4 mm/d，沉降加速度達(dá)到5.7 mm/d2，該階段的沉降變化主要由下部導(dǎo)洞和仰拱開(kāi)挖引起。第40 d之后，沉降變化很小，日均沉降速率在0.1 mm/d左右，圍巖基本穩(wěn)定。拱頂沉降特征參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 后碾房梁隧道DK122+311斷面拱頂沉降特征參數(shù)

2)周邊收斂

選取后碾房梁隧道DK122+295斷面周邊收斂進(jìn)行位移特性分析，其累計(jì)收斂、收斂速率和收斂加速度曲線見(jiàn)圖7。

圖7 DK122+295斷面周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

DK122+295斷面拱腰和墻腰周邊收斂累計(jì)監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為42 d和39 d，拱腰周邊收斂累計(jì)值比墻腰大，收斂累計(jì)值分別為71.40 mm和20.26 mm。上部導(dǎo)洞開(kāi)挖后，布設(shè)拱腰周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)后的第4 d收斂速率和加速度分別達(dá)到4.5 mm/d和2.1 mm/d2。中部導(dǎo)洞開(kāi)挖后，在拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)后第18 d，墻腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)第3 d，拱腰和墻腰收斂速率分別達(dá)到4.9 mm/d和3.3 mm/d，收斂加速度分別達(dá)到3.9 mm/d2和2.21 mm/d2。下部導(dǎo)洞和仰拱開(kāi)挖階段，在拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)第29 d和墻腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)第12 d，拱腰和墻腰收斂速率分別達(dá)到4.7 mm/d和3.6 mm/d，收斂加速度分別為3.4 mm/d2和2.7 mm/d2。之后累計(jì)收斂曲線趨于平緩，收斂速率變小，圍巖基本穩(wěn)定。周邊收斂特征參數(shù)見(jiàn)表4。

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)

由上述分析可知，軟弱圍巖隧道CRD法施工過(guò)程中所有斷面的最大位移速率均比較接近。當(dāng)圍巖位移速率在該最大速率之內(nèi)時(shí)，隧道施工是安全的，沒(méi)有發(fā)生圍巖失穩(wěn)破壞?；诖?，提出以軟弱圍巖隧道CRD法施工過(guò)程中拱頂沉降和周邊收斂的最大速率為控制標(biāo)準(zhǔn)的速率評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)圍巖位移超過(guò)該控制速率時(shí)應(yīng)引起重視，加強(qiáng)施工監(jiān)控或采取有效的加固措施。評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表4 后碾房梁隧道DK122+295斷面周邊收斂特征參數(shù)

表5 Ⅴ級(jí)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)變形速率建議值

加速度是反應(yīng)速度變化的物理量，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)沉降速率和收斂速率呈增大趨勢(shì)時(shí)，加速度為正值，且其增大趨勢(shì)越明顯，加速度絕對(duì)值越大;當(dāng)沉降速率和收斂速率呈減小趨勢(shì)時(shí)，加速度為負(fù)值，且其減小趨勢(shì)越明顯，加速度絕對(duì)值越大。圍巖位移加速度評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:

1)當(dāng)位移速率不斷上升時(shí)，d2s/dt2＞0，若位移速率較大并逐漸趨近速率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，表示圍巖進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。

2)當(dāng)位移速率基本保持不變時(shí)，d2s/dt2≈0，若位移速率遠(yuǎn)小于速率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，說(shuō)明圍巖狀況穩(wěn)定;若位移速率接近或等于速率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，說(shuō)明圍巖狀況趨于不穩(wěn)定;若位移速率大于速率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，說(shuō)明圍巖極不穩(wěn)定，進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。

3)當(dāng)位移速率不斷減小時(shí)，d2s/dt2＜0，若位移速率未超過(guò)速率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，說(shuō)明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)提出軟弱圍巖隧道CRD法施工以拱頂沉降和周邊收斂的位移值、位移速率為指標(biāo)的隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。用該評(píng)價(jià)指標(biāo)作為控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)隧道施工過(guò)程中拱頂沉降和周邊收斂的累計(jì)值或速率超過(guò)該控制標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)示著圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)引起重視，需要采取有效措施來(lái)控制圍巖變形。

2)提出軟弱圍巖隧道CRD法施工以拱頂沉降和周邊收斂的位移加速度為指標(biāo)的隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以位移加速度為參考，結(jié)合位移和速度指標(biāo)值評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性，為圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供可靠的判據(jù)。

3)通過(guò)提出的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)時(shí)掌握圍巖變形信息，不但保證了隧道施工的質(zhì)量與安全，建立了隧道“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”的科學(xué)管理機(jī)制，還能為二次襯砌的合理施作時(shí)間提供有效的參考依據(jù)。

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(責(zé)任審編李付軍)

U455.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．18

1003-1995(2015)04-0066-04

2014-09-25;

2014-11-20

張濤(1972—)，女，山東榮城人，高級(jí)工程師，碩士。