監(jiān)控量測在姜路嶺隧道大變形治理中的應(yīng)用

程 曦

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

監(jiān)控量測在姜路嶺隧道大變形治理中的應(yīng)用

程 曦

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

姜路嶺隧道是青海省共玉高速公路上具有代表性的大變形隧道，施工過程中曾發(fā)生過若干次大變形，給施工造成極大困難，也曾一度使施工處于停滯狀態(tài)。通過現(xiàn)場觀察和拱頂下沉、周邊收斂等量測，運(yùn)用換拱、增設(shè)臨時(shí)鋼支撐、加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)、增大預(yù)留變形量等技術(shù)對(duì)該隧道大變形段進(jìn)行處治，獲得滿意效果。

監(jiān)控量測；多年凍土隧道；炭質(zhì)頁巖；大變形

1 工程概況

姜路嶺隧道是青海省共和至玉樹高速公路上一座單向2車道隧道，其按高速公路上下行分離的獨(dú)立雙洞布置，海拔高度超過4 280 m。隧址區(qū)屬典型高原大陸性半干旱氣候，其特點(diǎn)是：冬季寒冷漫長，多風(fēng)雪；夏季涼爽短促，雨水較充足；終年霜雪不斷，晝夜溫差大，植被少，空氣稀薄，氣壓低，日照充足，全年冰凍期長達(dá)7個(gè)月。

姜路嶺隧道具有2大特點(diǎn)：1) 隧道南北坡進(jìn)出口及山頂處為連續(xù)多年凍土區(qū)，凍土凍結(jié)時(shí)，巖土體強(qiáng)度較大；但多年凍土開挖融化后，含亞粘土的碎石土呈軟塑狀，裂隙張開，強(qiáng)度極低，易風(fēng)化呈碎塊狀，成洞極為困難，且受反復(fù)凍融作用，洞身極易變形[1]。2) 整座隧道掘進(jìn)過程中出露的圍巖幾乎均為炭質(zhì)頁巖，開挖支護(hù)后其受構(gòu)造及深埋擠壓影響，變形較大且時(shí)間較長，并出現(xiàn)周期性變形。施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)鋼支撐縱向扭曲和徑向變形、初期支護(hù)混凝土開裂掉塊等現(xiàn)象，其對(duì)初期支護(hù)破壞力極強(qiáng)，極易發(fā)生初期支護(hù)變形侵限及坍方事故[2]。

姜路嶺隧道施工期間，初期支護(hù)頻繁出現(xiàn)大變形，施工一度陷入停滯狀態(tài)。大變形由凍土融沉及炭質(zhì)頁巖擠壓變形等諸多因素所致，其也成為該隧道施工的技術(shù)難題。因此，隧道施工過程中的監(jiān)控量測具有十分重要的作用。

2 監(jiān)控量測內(nèi)容

姜路嶺隧道施工過程中，監(jiān)控量測遵循“嚴(yán)守施工規(guī)范、服務(wù)隧道施工；緊貼隧道實(shí)際,保證經(jīng)濟(jì)安全”的原則，保證必測項(xiàng)目及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)施，并根據(jù)工程實(shí)際揭露的圍巖條件和隧道施工情況，合理開展有針對(duì)性的、有代表性的選測項(xiàng)目測試，及時(shí)整理、快速分析測試結(jié)果，及時(shí)反饋并指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工優(yōu)化。必測項(xiàng)目包括洞內(nèi)觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測項(xiàng)目包括錨桿軸力、圍巖內(nèi)部位移、圍巖與初期支護(hù)壓力、初期支護(hù)與2次襯砌壓力、鋼支撐應(yīng)力、初期支護(hù)混凝土內(nèi)應(yīng)力、2次襯砌應(yīng)力。

3 基于監(jiān)控量測的大變形原因分析

3.1 地表及套拱開裂原因分析

姜路嶺隧道出口淺埋段施工過程中，對(duì)洞口段地表開展了監(jiān)控量測，測點(diǎn)布置如圖1所示。隧道進(jìn)出口端地表沉降量均較大，產(chǎn)生了多條不同程度的裂縫，如圖2所示。同時(shí)，出口端左洞套拱左上方有1條長0.2 m、寬2～3 mm的裂縫，套拱和暗洞交界處左側(cè)有1條長7 m、寬5 mm的環(huán)向裂縫，右側(cè)有1條長6 m、寬3 mm的環(huán)向裂縫，洞內(nèi)存在多處滴狀滲水現(xiàn)象；出口端右洞情況類似。套拱裂縫如圖3所示。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，隧道出口左洞ZK332+610斷面地表沉降位移最大處集中在拱頂正上方各測點(diǎn)，從開始量測起算，5 d內(nèi)最大累計(jì)下沉量為36.3 mm，量測至第34天時(shí)最大累計(jì)沉降量為314.3 mm。右洞YK332+500斷面地表沉降位移最大處同樣集中在拱頂上方，從開始量測起算7 d內(nèi)最大累計(jì)下沉量為47.6 mm，量測至第64天時(shí)最大累計(jì)沉降量為377.6 mm。ZK332+610和YK332+500斷面地表沉降時(shí)空曲線分別如圖4、圖5所示。

圖1 地表監(jiān)測點(diǎn)布置

圖2 出口端地表裂縫

圖3 套拱裂縫

圖4 ZK332+610斷面地表沉降時(shí)空曲線

圖5 YK332+500斷面地表沉降時(shí)空曲線

監(jiān)測結(jié)果表明，姜路嶺隧道洞口地表沉降的特點(diǎn)為發(fā)展速度快、累計(jì)沉降量大?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，姜路嶺隧道洞口淺埋段為多年凍土區(qū)，凍土中的各種冰融化后體積縮小，致使土因自重下沉；冰融化成水后通過孔隙逐漸排出，致使土壓密而進(jìn)一步下沉。同時(shí)，土粒及其集合體在融化時(shí)由于水化作用而膨脹，隨即產(chǎn)生凍土融沉現(xiàn)象，若不有效控制，地表沉降量則會(huì)持續(xù)增大。而凍土融化主要受以下因素影響：1) 開挖擾動(dòng)[3]；2) 混凝土水化熱；3) 白天日照強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長[4]；4) 施工期間施工工藝及工序控制不佳。隧道洞口段地表各區(qū)域由于沉降速度不同而產(chǎn)生裂縫，洞口套拱由于上部土體沉降不均致使受力不均，從而產(chǎn)生不規(guī)則裂縫。

3.2 初期支護(hù)大變形原因分析

隨著地表裂縫的發(fā)展，姜路嶺隧道初期支護(hù)拱頂下沉及周邊收斂值也快速增長，頻頻出現(xiàn)縱向裂縫、拱部鋼支撐嚴(yán)重扭曲變形、邊墻擠出等現(xiàn)象，從而造成隧道初期支護(hù)侵限，如圖6～8所示。為了掌握該大變形區(qū)段的圍巖變化狀態(tài)，在該段變形初期就對(duì)其加強(qiáng)了現(xiàn)場監(jiān)控量測[5]。其中拱頂下沉和周邊收斂量測測點(diǎn)間距加密至5 m一個(gè)量測斷面，選測項(xiàng)目的布置也較原計(jì)劃有所增加。

圖6 初期支護(hù)邊墻擠出

圖7 初期支護(hù)侵限

圖8 鋼支撐扭曲變形

下面給出姜路嶺隧道部分初期支護(hù)拱頂下沉及周邊收斂值較大斷面的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)：

1) ZK332+605斷面初期支護(hù)侵限，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)如圖9所示。由圖9可以看出，從開始測量起算，該斷面拱頂下沉7 d累計(jì)最大值為95.2 mm(右側(cè)點(diǎn))，46 d累計(jì)最大值為344.7 mm；周邊收斂7 d累計(jì)最大值為104.4 mm，46 d累計(jì)最大值為416.5 mm，且邊墻已出現(xiàn)明顯的擠出現(xiàn)象。

2) YK332+479斷面初期支護(hù)侵限，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖10可以看出，從開始測量起算，該斷面拱頂下沉7 d累計(jì)最大值為34.2 mm(右側(cè)點(diǎn))，60 d累計(jì)最大值為267.4 mm；周邊收斂7 d累計(jì)最大值為17.5 mm，60 d累計(jì)最大值為171.2 mm。

圖9 ZK332+605斷面拱頂下沉及周邊收斂時(shí)空曲線

圖10 YK332+479斷面拱頂下沉及周邊收斂時(shí)空曲線

由以上數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測斷面的變形速率快且累計(jì)變形值大，其主要原因?yàn)椋航穾X隧道全線穿越炭質(zhì)頁巖地層，其強(qiáng)度低，局部段落圍巖含水[6]，巖體極破碎，圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖后，圍巖卸荷體積膨脹，隧道周邊圍巖在強(qiáng)大碎脹力和水脹力的共同作用下，迅速發(fā)生變形，當(dāng)碎脹力和水脹力的合力超過圍巖體的承載力時(shí)，圍巖體便會(huì)發(fā)生塑性變形，繼而產(chǎn)生流變，引起初期支護(hù)持續(xù)變形。初期支護(hù)變形速度快，持續(xù)時(shí)間長，累計(jì)變形量大，嚴(yán)重影響了隧道工程施工[7]。

3.3 2次襯砌開裂及仰拱底鼓原因分析

姜路嶺隧道在2次襯砌施作完畢后，仍持續(xù)進(jìn)行了監(jiān)控量測。量測發(fā)現(xiàn)，ZK331+780～ZK331+890段仰拱底鼓，出現(xiàn)明顯的壓碎現(xiàn)象，且仰拱填充和仰拱分離、脫開，仰拱完全破壞，如圖11所示；ZK330+703.7～ZK330+727.5段2次襯砌出現(xiàn)了較大開裂，襯砌變形，混凝土出現(xiàn)剝落，如圖12所示。

2014年1月7日至2016年4月18日，對(duì)姜路嶺隧道仰拱底鼓段2次襯砌典型斷面ZK331+780斷面進(jìn)行了持續(xù)觀測，并繪制出位移時(shí)空曲線，如圖13(a)所示；2013年11月5日至2016年4月19日，對(duì)姜路嶺隧道仰拱底鼓段2次襯砌典型斷面ZK331+830斷面進(jìn)行了持續(xù)觀測，并繪制出位移時(shí)空曲線，如圖13(b)所示。圖13中，“拱頂”代表拱頂沉降累計(jì)值，“左側(cè)”代表左邊墻周邊收斂累計(jì)值；“右側(cè)”代表右邊墻周邊收斂累計(jì)值。

圖11 仰拱底鼓

圖12 襯砌混凝土開裂、剝落

圖13 姜路嶺隧道仰拱底鼓段典型斷面2次襯砌累計(jì)沉降值時(shí)空曲線

由圖13可以看出，2次襯砌斷面均在持續(xù)緩慢地變形，但最終沉降值均趨于穩(wěn)定。ZK331+780斷面390 d最大累計(jì)沉降值為286 mm，ZK331+830斷面327 d最大周邊收斂值為232 mm。

造成2次襯砌開裂及仰拱底鼓的原因較為復(fù)雜，可能包括：1) 地質(zhì)原因。受炭質(zhì)頁巖軟弱易變形的性質(zhì)影響，施作完2次襯砌后，隧道周圍巖體持續(xù)產(chǎn)生蠕變，產(chǎn)生受力不均，造成2次襯砌開裂[8]。2) 2次襯砌施作時(shí)機(jī)不當(dāng)[9]。在圍巖變形未趨于穩(wěn)定的狀態(tài)下，盲目地過早進(jìn)行2次襯砌施工，使2次襯砌施作完畢后承受了較大荷載，從而產(chǎn)生裂縫。3) 巖體對(duì)底板的擠壓。隧道兩側(cè)巖體在垂直應(yīng)力作用下擠壓底板，使底板受水平應(yīng)力作用向隧道內(nèi)鼓起。4) 水對(duì)底板的作用。底板中的炭質(zhì)頁巖遇水體積膨脹，并使圍巖強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)松散，易崩解、破碎。

4 大變形治理措施[10]

4.1 地表開裂治理

姜路嶺隧道洞口段地表和邊仰坡出現(xiàn)裂紋后,采取了以下措施進(jìn)行治理：1) 加強(qiáng)了地表裂縫和沉降的觀測；2) 對(duì)洞口邊仰坡進(jìn)行了錨噴支護(hù)，防止裂縫擴(kuò)大，仰坡失穩(wěn)；3) 對(duì)地表已開挖土體進(jìn)行覆蓋，并在表面噴射混凝土封閉；4) 地表鋪設(shè)了防曬保溫層；5) 盡量在夜間施工，這樣凍土就不易產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。

4.2 初支大變形治理

為了保證隧道施工安全，避免其變形過大或圍巖坍塌，在初期支護(hù)大變形產(chǎn)生后立即停止掌子面掘進(jìn)，并根據(jù)初期支護(hù)的變形情況采用相應(yīng)的處治措施。

4.2.1 針對(duì)侵限斷面進(jìn)行換拱

對(duì)已侵入隧道內(nèi)輪廓線的斷面采用換拱方式進(jìn)行處治，換拱步驟如下：

1) 換拱前加固。(1) 在換拱段下方進(jìn)行反壓回填，以形成拆除施工工作臺(tái)；(2) 對(duì)變形引起的初期支護(hù)開裂、破損，采用C25噴射混凝土補(bǔ)噴封閉；(3) 對(duì)換拱段拱背圍巖進(jìn)行注漿加固，避免出現(xiàn)因換拱引起的坍塌。

2) 對(duì)變形段初期支護(hù)進(jìn)行拆除。加固處理完后，采用液壓破碎錘對(duì)已變形的初期支護(hù)進(jìn)行拆除，每次拆除長度不得大于一榀拱架。

3) 恢復(fù)原設(shè)計(jì)初期支護(hù)。在換拱的同時(shí)持續(xù)開展監(jiān)控量測，時(shí)刻監(jiān)控圍巖變形情況，確保施工安全。

4.2.2 對(duì)未侵限大變形斷面進(jìn)行加固

根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)、支護(hù)情況、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和開裂情況，結(jié)合未侵限的大變形段落2次襯砌的施工時(shí)間，為避免初期支護(hù)侵限帶來的后期換拱處理，對(duì)該段落進(jìn)行了如下加固處理：

1) 對(duì)變形開裂的段落增設(shè)臨時(shí)鋼支撐，鋼支撐采用20 b工字鋼，間距為0.6 m。

2) 臨時(shí)鋼支撐與初期支護(hù)間增加木楔頂緊，每隔最多1.0 m增加1道木楔，使鋼支撐與初期支護(hù)緊密接觸，共同受力。

3) 鋼支撐之間設(shè)置縱向連接鋼筋，環(huán)向間距1.0 m。

4) 為減少后期2次襯砌受力，提高圍巖的自穩(wěn)性，對(duì)該段增設(shè)Φ42 mm徑向注漿小導(dǎo)管加固，以形成有效加固圈。徑向注漿小導(dǎo)管縱向間距1.2 m，環(huán)向間距1.0 m，長4.0 m。

5) 加快加固段落的2次襯砌施工，2次襯砌施工時(shí)分段拆除臨時(shí)加固鋼支撐。

6) 在確保作業(yè)人員安全的前提下加強(qiáng)觀測及加密監(jiān)測。

4.2.3 后續(xù)施工中加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)

姜路嶺隧道出口左洞ZK331+640～+620段初期支護(hù)原設(shè)計(jì)為I22a型鋼，施工中實(shí)際采用H型鋼支撐。從肉眼觀測看，H型鋼支撐初期支護(hù)并沒有發(fā)生明顯的變形開裂和剝落現(xiàn)象，也沒有發(fā)生嚴(yán)重的變形擠出，其變形控制能力較I22a工字鋼要好，這從圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析也能得到印證。將姜路嶺隧道初期支護(hù)采用H型鋼與I22a工字鋼的斷面變形數(shù)據(jù)繪制成位移時(shí)空曲線，其拱頂沉降曲線如圖14所示，周邊收斂曲線如圖15所示。圖14、圖15中，斷面ZK331+670、ZK331+660、ZK331+650為I22a工字鋼初期支護(hù)，斷面ZK331+635、ZK331+630為H型鋼支撐初期支護(hù)。

分析圖14、圖15可知，初期支護(hù)改用H型鋼支撐后，拱頂沉降和周邊收斂變形速率和累計(jì)變形量都有所減小。圖14中ZK331+670、ZK331+660、ZK331+650斷面(采用I22a工字鋼)的拱頂沉降速率均大于ZK331+635、ZK331+630斷面(采用H型鋼)。圖15中ZK331+670斷面的初始變形速率較ZK331+635斷面要小，這是因?yàn)楸O(jiān)控期間掌子面并沒有開挖，當(dāng)量測進(jìn)行到第6～15天時(shí)，隨著隧道掌子面掘進(jìn)，收斂位移曲線斜率明顯增大，說明位移速率增大，且比ZK331+635斷面的都要大。總的來說，H型鋼支撐初期支護(hù)可以將圍巖變形速率控制在10 mm/d左右，但由于ZK331+635/630斷面累計(jì)測量時(shí)間較短，其累計(jì)變形量并沒有較強(qiáng)的說服力；但從其發(fā)展規(guī)律看，其變形速率有一定的收斂趨勢，因此在給予相同變形時(shí)間的前提下，H型鋼支撐初期支護(hù)斷面的累計(jì)變形量也相對(duì)較小。

圖14 姜路嶺隧道拱頂沉降位移時(shí)空曲線

圖15 姜路嶺隧道周邊收斂位移時(shí)空曲線

4.2.4 后續(xù)施工中增大預(yù)留變形量

為減少隧道初期支護(hù)侵限發(fā)生率，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，施工中合理增大了開挖預(yù)留變形量。在不改變現(xiàn)有相關(guān)支護(hù)參數(shù)前提下，對(duì)姜路嶺隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)姜路嶺隧道各洞各監(jiān)測斷面的平均量測時(shí)間分別為：進(jìn)口，左洞為30 d，右洞為32 d；出口，左洞31 d，右洞31 d。由于斷面量測在鋪掛防水布前要停測，因此，針對(duì)姜路嶺隧道的施工進(jìn)度，至少需給初期支護(hù)預(yù)留40 d的變形時(shí)間。本文根據(jù)平均變形速率來推算姜路嶺隧道各個(gè)斷面40 d累計(jì)變形量，見表1。

姜路嶺隧道進(jìn)口40 d累計(jì)變形量可取進(jìn)口左右洞位移平均值進(jìn)行估算，并由表1數(shù)據(jù)計(jì)算得出進(jìn)口段可取400 mm；同理，出口可取450 mm?？紤]到圍巖開挖瞬間的位移量及布點(diǎn)時(shí)間延后造成的位移丟失，可追加50 mm的位移損失。因此，在不改變現(xiàn)有相關(guān)支護(hù)參數(shù)前提下，若2次襯砌滯后掌子面40 d施工，則隧道進(jìn)、出口段可分別取預(yù)留變形量45、50 cm。此外，在后續(xù)施工中，可根據(jù)實(shí)際圍巖變化和工程進(jìn)度控制情況，靈活選擇隧道開挖預(yù)留變形量。

表1 姜路嶺隧道各個(gè)斷面40 d累計(jì)變形量統(tǒng)計(jì)

監(jiān)控量測還發(fā)現(xiàn)，有地下水滲滴出露的圍巖段，圍巖變形速率及總變形量遠(yuǎn)大于普通量測斷面。因此，在這種圍巖條件下，可采用雙層初期支護(hù)，或?qū)㈩A(yù)留變形量擴(kuò)大至80 cm，以確保2次襯砌凈空尺寸。

4.3 2次襯砌開裂及仰拱底鼓治理

4.3.1 仰拱底鼓處治

處治前，應(yīng)核查隧道凈空斷面是否滿足設(shè)計(jì)要求。如滿足要求，則僅需對(duì)仰拱進(jìn)行處理；如不滿足要求，則需拆除全部2次襯砌并重新施作。鑒于姜路嶺隧道仰拱混凝土已經(jīng)出現(xiàn)擠壓破碎，仰拱填充和仰拱之間出現(xiàn)很大的脫空，仰拱已經(jīng)失去承載能力，故可對(duì)該段襯砌拱腳進(jìn)行加固并重新施作仰拱。加固襯砌拱腳時(shí)，在拱腳部位需增設(shè)2排鎖腳鋼管注漿。采用長6.5 m，Φ76 mm@50 cm×50 cm鋼管注漿。鋼管應(yīng)與水平面呈30°，鋼管內(nèi)設(shè)置2根Φ22 mm鋼筋，并注漿密實(shí)。另外，需拆除破壞段既有仰拱和填充，重新施作仰拱和填充，且仰拱段需增設(shè)初期支護(hù)。仰拱應(yīng)分段拆除，每次拆除長度不大于2.5 m，并需做好初期支護(hù)和仰拱后才能拆換下一段。

4.3.2 2次襯砌開裂處治

由于姜路嶺隧道拱部混凝土已經(jīng)出現(xiàn)較大開裂，且已出現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象，故應(yīng)對(duì)開裂襯砌混凝土進(jìn)行拆換。拆換前，需對(duì)隧道圍巖進(jìn)行全斷面加固注漿處理。采用長4.5 m，Φ42 mm注漿小導(dǎo)管加固，注漿管間距@0.5 m×0.5 m，梅花形布置。注漿加固前，應(yīng)對(duì)開裂襯砌混凝土端頭的縱向排水管封堵，以防止?jié){液竄流堵塞縱向排水管。加固完成后，拆除起拱線以上2次襯砌混凝土。先拆除大樁號(hào)段一板混凝土，待新混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再拆除和施作靠進(jìn)口端的2次襯砌混凝土。2次襯砌采用原該段的厚度，2次襯砌主筋采用雙層Φ25 mm@15 cm布置。

5 結(jié)束語

監(jiān)控量測對(duì)于隧道大變形治理具有重要作用。在姜路嶺隧道病害治理中，通過現(xiàn)場觀察和圍巖位移量測來判斷圍巖變形的時(shí)間、幅度和趨勢，對(duì)工程搶險(xiǎn)予以合理指導(dǎo)。另外，通過量測得到初期支護(hù)和2次襯砌的精確形變數(shù)值，其反饋了各項(xiàng)工程治理措施的效果，為大變形隧道制定更加準(zhǔn)確、可靠的處治措施提供了依據(jù)。

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Application of Monitoring and Measuring in Large Deformation Treatment of Jiangluling Tunnel

CHENG Xi

Jiangluling tunnel is a typical large deformed tunnel on Gonghe-Yushu expressway in Qinghai province,there were several big deformations during construction,which caused great difficulty to the construction and once stagnated the construction. Through on-the-spot observation and measurement of arch settlement and peripheral convergence,the author applied technologies such as changing the arch,adding temporary steel support,increasing support parameters,increasing foreseen deformation,etc.,to treat the large deformation of the tunnel,the result is satisfying.

monitoring & measurement; permafrost tunnel; carbonaceous shale; large deformation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.025

2016-08-26

程 曦(1985-)，男，重慶市人，碩士研究生，工程師。

1009-6477(2016)06-0115-07

U459.2

B