河惠莞高速公路佳龍嶂隧道淺埋段圍巖變形分析

周 杰， 董建輝， 邱洪志

(1.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610039；2.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，在我國的山地公路或鐵路隧道建設(shè)中，淺埋的山嶺隧道較為常見[1].就淺埋隧道而言，其顯著特點就是埋深淺，圍巖自穩(wěn)性差，不能有效形成應(yīng)力拱，隧道開挖后初襯可能會承受巨大的圍巖壓力，如果支護設(shè)計不足或施工操作不當(dāng)，則易發(fā)生垮塌等安全事故[2-3].相關(guān)研究表明，在淺埋隧道施工過程中，影響圍巖變形的因素眾多，致塌機制復(fù)雜，加上基礎(chǔ)資料匱乏，導(dǎo)致隧道的施工安全控制難度極大[4-8].對此，本研究擬通過對河惠莞高速公路佳龍嶂隧道沖溝淺埋段隧道開挖過程中拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探討淺埋隧道在開挖過程中的變形規(guī)律，擬為類似工程施工提供指導(dǎo).

1 工程概況

1.1 工程概述

廣州河惠莞高速公路佳龍嶂隧道為雙線分離式隧道，兩隧道間距約30 m.隧道地址位于低山地貌溝谷斜坡區(qū)域，隧道走向近乎垂直于山脊走向，隧道巖體主要為全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖.隧道里程樁號YK126+180～YK126+244段穿越?jīng)_溝淺埋段，其埋深僅8 m左右，表層為厚0.2～0.5 m的腐殖土.地層從上到下依次為粉質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖、中—強風(fēng)化花崗巖，巖體含有地下裂隙水.隧道淺埋段地質(zhì)情況如圖1、2所示.

圖1佳龍嶂隧道淺埋段地質(zhì)斷面圖

圖2佳龍嶂隧道I-I剖面圖

1.2 隧道淺埋垮塌處概況

在實際工程建設(shè)中，隧道按CD開挖法掘進，2017年6月27日凌晨1∶00，當(dāng)隧道開挖至沖溝淺埋段YK126+237處時，右隧道左導(dǎo)洞拱頂發(fā)生塌方，此后拱頂間斷塌落，15 h后隧道已冒頂，地面形成了一個直徑約5 m的坑洞，總塌方體積約180 m3，具體如圖3所示.

圖3現(xiàn)場塌方示意圖

2 隧道變形監(jiān)測分析

2.1 監(jiān)控量測方案

本研究通過對隧道洞內(nèi)監(jiān)測斷面YK126+244與YK126+260監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，探究淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律.隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測布點方案為：在拱頂下沉及周邊位移監(jiān)測中，監(jiān)測斷面按間距5～30 m不等埋設(shè)，因隧道沖溝淺埋段圍巖穩(wěn)定性較差，所以適當(dāng)加密布置，每隔5 m布設(shè)一個斷面，每個斷面增設(shè)下沉拱頂監(jiān)測點A′、C′和拱腰位移監(jiān)測點b′.由于隧道開挖采用了CD法施工，當(dāng)先開挖左導(dǎo)洞上臺階時，布設(shè)拱頂下沉監(jiān)測點A′、A、C′以及位移監(jiān)測b-b′測線；隨后開挖右導(dǎo)洞上臺階時，布設(shè)拱頂下沉監(jiān)測點B、C及周邊位移b′-b測線，原監(jiān)測點A′、C′及測線b-b′停止監(jiān)測；開挖下臺階后，布設(shè)a-a測線.隧道洞內(nèi)測點布置如圖4所示.

圖4隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測布點圖

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在實際監(jiān)測時，隧道洞內(nèi)監(jiān)測點在下一開挖循環(huán)前完成布設(shè)并測取初始讀數(shù).根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制位移時程曲線圖和位移速率時程曲線圖，當(dāng)位移—時間曲線出現(xiàn)反彎點時或速率曲線圖上升時，表明圍巖和支護狀態(tài)不穩(wěn)定，需及時加強支護，采取各種安全措施，必要時停止掘進.

2.2.1 變形與時間分析.

隧道沖溝淺埋段監(jiān)測斷面YK126+244和YK126+260的拱頂下沉和周邊位移時程曲線如圖5～8所示.

圖5 YK126+244斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖6 YK126+244斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

圖7 YK126+260斷面拱頂下沉位移曲線圖

圖8 YK126+260斷面拱頂下沉位移速率曲線圖

1)監(jiān)測斷面YK126+244離坍塌位置縱向距離約7 m，受其影響最大，時程曲線大致可分為3個階段：加速變形階段(AB段)，隧道剛開挖成形，圍巖應(yīng)力分布發(fā)生急劇變化，拱頂下沉曲線表現(xiàn)出相對較大的斜率，但隨著時間的延續(xù)，變形逐漸趨于正常狀態(tài)，位移速率有所減緩，表現(xiàn)出減速變形的特征，該階段持續(xù)時間長達(dá)14 d，拱頂位移量達(dá)到24.0 mm，最大位移速率達(dá)到4 mm/d，洞身收斂b位移量達(dá)到7.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.4 mm/d；等速變形階段(BC段)，在初始變形的基礎(chǔ)上，在重力作用下，拱頂圍巖基本上以相近的速率繼續(xù)變形，因不時受到外界因素的干擾和影響，其變形曲線可能會有所波動，但此階段累積位移曲線總體趨勢為傾斜直線，宏觀變形速率基本保持不變.該階段中位移量達(dá)到34.6 mm，最大位移速率達(dá)到1.2 mm/d，洞身收斂位移量達(dá)到7.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.2 mm/d；平穩(wěn)變形階段(CD段)，圍巖應(yīng)力分布基本達(dá)到平衡狀態(tài)，下沉曲線呈現(xiàn)出較小的斜率，位移速率曲線總體平緩，不斷減小，該階段中拱頂位移量達(dá)到37.0 mm，最大位移速率達(dá)到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達(dá)到6.0 mm，其中最大位移速率達(dá)到0.4 mm/d，表明圍巖變形已基本穩(wěn)定.前兩階段圍巖變形量占觀測期間總變形量的93%，因此需重點關(guān)注該兩個階段的圍巖變形.

2)監(jiān)測斷面YK126+260在加速變形階段持續(xù)時間為6 d，拱頂位移量達(dá)到10.2 mm，最大位移速率達(dá)到3.6 mm/d，洞身收斂b位移量達(dá)到4.2 mm，最大收斂速率達(dá)到1.3 mm/d；在等速變形階段期間，拱頂下沉變形速率突然呈現(xiàn)出不斷加速增長的趨勢，直至6月27日圍巖失穩(wěn)之前，變形速率曲線近于陡立，達(dá)到了3.0 mm/d，說明加速變形階段是圍巖失穩(wěn)發(fā)生的基礎(chǔ)和前提，因此拱頂圍巖的加速變形階段對于隧道失穩(wěn)變形的預(yù)警預(yù)報具有十分重要的意義；坍塌穩(wěn)定后變形速率逐漸減小進入平穩(wěn)變形階段，該階段中拱頂位移量達(dá)到35.6 mm，最大位移速率達(dá)到0.3 mm/d，洞身收斂a位移量達(dá)到8.6 mm，其中最大位移速率達(dá)到0.2 mm/d，表明圍巖變形已基本穩(wěn)定.

2.2.2 變形與開挖進尺分析.

隧道掌子面里程與監(jiān)測斷面YK126+244拱頂下沉關(guān)系曲線圖如圖9所示.

因掌子面YK126+237坍塌停工，監(jiān)測斷面的圍巖得到了充足的變形時間，根據(jù)位移速率曲線圖可知已基本穩(wěn)定.待到7月15日繼續(xù)掘進時， 下沉曲線繼續(xù)緩慢增加，此時該斷面的拱頂下沉變形主要由掌子面的推進所引起的，掌子面推進到Y(jié)K126+206后，下沉曲線總體上呈水平，不再增加，表明從YK126+244到Y(jié)K126+206間的38m隧道掘進對其拱頂下沉有影響.同樣，YK126+260斷面的拱頂下沉曲線在掌子面開挖至YK126+215后基本水平，此時距離YK126+260監(jiān)測斷面45 m.總體說明掌子面的推進將對距掌子面約40 m范圍內(nèi)的周邊圍巖變形產(chǎn)生持續(xù)影響.

圖9開挖進尺與監(jiān)測斷面YK126+244拱頂下沉關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 論

本研究通過具體工程實例，分析了淺埋隧道在掘進中周邊圍巖的變形情況，得出如下結(jié)論：

1)YK126+237坍塌分別發(fā)生在監(jiān)測斷面YK126+260的等速變形階段和YK126+244的加速變形階段，YK126+244在加速變形階段的速率減小趨勢明顯小于YK126+260，加之YK126+260在等速變形階段的突然加速變形，綜合起來可作為隧道失穩(wěn)變形的預(yù)警預(yù)報.

2)淺埋隧道開挖過程中，掌子面的推進將對后方約40m范圍內(nèi)的周邊圍巖變形產(chǎn)生影響，開挖時應(yīng)持續(xù)關(guān)注該范圍內(nèi)的圍巖變形情況.

3)淺埋隧道圍巖變形曲線圖大致可分為加速變形、等速變形和平穩(wěn)變形3個階段.圍巖的主要變形發(fā)生在前2個階段，在該階段隧道最容易發(fā)生失穩(wěn)塌方、冒頂?shù)仁鹿?，因此，在實際工程中應(yīng)重點監(jiān)測.