大跨度變截面隧道施工監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與信息反饋

龍秀堂 羅寧寧 申玉生

摘 要：以成蘭鐵路楊家坪隧道施工為例，提出了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施方案，并對(duì)該方案的監(jiān)測(cè)儀器、測(cè)點(diǎn)布置、施工監(jiān)測(cè)及量測(cè)頻率進(jìn)行了介紹，并選取典型斷面和典型測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，具體分析楊家坪隧道的拱頂下沉、周邊收斂位移、圍巖接觸應(yīng)力、鋼拱內(nèi)力和錨桿軸力。結(jié)果表明，隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性良好，并未發(fā)生失穩(wěn)破壞，為后期隧道建設(shè)提供優(yōu)化方案，為今后大斷面隧道的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：隧道;監(jiān)控量測(cè);數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：U456.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）04-0093-04

Abstract： Taking Yangjiaping tunnel construction of Chengdu-Lanzhou Railway as an example， the implementation scheme of on-site monitoring and measurement was put forward， and the monitoring instruments， measuring point arrangement， construction monitoring， measuring frequency and data collection and arrangement of the scheme were introduced， and the monitoring data of typical cross section and typical measuring point were selected for sorting and analysis， and the vault subsidence， peripheral convergence displacement of Yangjiaping tunnel were specifically analyzed. The results show that the stability of the surrounding rock is good， and there is no instability damage. It provides the optimization scheme for the later tunnel construction and accumulates the experience for the construction of large section tunnel in the future.

Keywords： tunnel;monitoring measurement;data analysis

1 研究背景

在對(duì)隧道進(jìn)行施工的過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)是其中十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)可實(shí)時(shí)掌握隧道圍巖的穩(wěn)定情況及變化。在施工中的監(jiān)控量測(cè)不僅要能及時(shí)準(zhǔn)確地反映出施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，也要對(duì)隧道施工中即將遇到的問(wèn)題給以必要的信息，以便能為判斷隧道施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全提供科學(xué)依據(jù)，確保隧道施工安全。

谷拴成等[1]以唐家塬隧道為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)拱頂下沉、圍巖收斂、圍巖壓力、初襯與二襯接觸壓力和二襯混凝土應(yīng)變，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后得出結(jié)論：超大斷面黃土隧道圍巖變形大致經(jīng)歷了急劇變形、持續(xù)增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)3個(gè)階段;靳曉光等[2]以二郎山公路隧道施工過(guò)程的工程實(shí)踐為依據(jù)，利用常規(guī)圍巖變形監(jiān)控量測(cè)和圍巖變形跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及二次應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，獲取隧道圍巖動(dòng)態(tài)綜合信息;羅興虎[3]通過(guò)對(duì)陸域明挖段典型斷面監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，得出了基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響形式，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用信息化施工的監(jiān)測(cè)手段，能夠及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的險(xiǎn)情，確?；庸こ痰陌踩?/p>

但考慮到工程的特殊性和理論計(jì)算及數(shù)值模擬時(shí)一般都采用理想化假定，故實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究大斷面隧道圍巖壓力的真實(shí)分布情況具有重要意義，但近幾年這方面的分析并不多。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以成蘭鐵路楊家坪隧道施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)為依托，選取典型斷面和典型測(cè)點(diǎn)對(duì)其量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和信息反饋，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，為今后類似隧道工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)等提供參考。

2 工程概況

楊家坪隧道位于龍門山斷裂帶的龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶之間，全長(zhǎng)12 815 m，開(kāi)挖斷面達(dá)270 m2，隧道最大埋深為735 m，結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)為57 m，開(kāi)挖寬度為20.8 m，開(kāi)挖高度為16.7 m。隧道圍巖巖性以志留系中上統(tǒng)茂縣群絹云母千枚巖、綠泥千枚巖為主，夾炭質(zhì)千枚巖、泥質(zhì)灰?guī)r，石質(zhì)軟弱，隧道開(kāi)挖后圍巖剝落、掉塊嚴(yán)重，整體穩(wěn)定性差。受龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶等區(qū)域構(gòu)造的影響，構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育楊家坪背斜、楊家坪向斜。

3 隧道監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容與方法

為了確保楊家坪隧道施工順利進(jìn)行，并較為準(zhǔn)確地掌握施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，檢測(cè)各項(xiàng)支護(hù)手段的效果，指導(dǎo)施工和變更設(shè)計(jì)，應(yīng)按要求進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作。隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目和設(shè)計(jì)方案應(yīng)根據(jù)該工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求及施工規(guī)范綜合選定。隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目由必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目組成[4]。

3.1 必測(cè)項(xiàng)目

必測(cè)項(xiàng)目主要內(nèi)容包括：①隧道洞內(nèi)、外觀察;②周邊收斂位移;③拱頂下沉的量測(cè)[5]。現(xiàn)場(chǎng)施工必測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法如表1所示。

3.2 選測(cè)項(xiàng)目

選測(cè)項(xiàng)目主要內(nèi)容包括：①圍巖接觸應(yīng)力;②鋼架內(nèi)力;③錨桿軸力[6]?，F(xiàn)場(chǎng)施工選測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法內(nèi)容如表2所示。

4 隧道監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選取2號(hào)橫洞小里程方向DK112+950作為監(jiān)測(cè)斷面。量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方式如圖1所示。具體儀器安裝數(shù)量如表3所示。

4.2 量測(cè)頻率

量測(cè)讀數(shù)的頻率按照《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10304—2009）的要求進(jìn)行，確保采集數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性[7]。量測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)頻度如表4所示，按距開(kāi)挖面距離確定的監(jiān)控量測(cè)頻率如表5所示。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)遭到破壞或遮擋，考慮到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性，選取2號(hào)橫洞小里程方向DK112+950作為監(jiān)測(cè)斷面。

5.1 必測(cè)項(xiàng)目

5.1.1 洞內(nèi)、外觀察。洞內(nèi)、外觀察以目測(cè)為主，輔以量尺、放大鏡等工具和手機(jī)、照相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查情況采用專制巡視檢查表記錄，并及時(shí)整理，與儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。巡視檢查如發(fā)現(xiàn)異常和危險(xiǎn)情況，應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)部門或單位。

5.1.2 拱頂下沉。拱頂沉降位移曲線如圖2所示。從圖2可以看出，在隧道開(kāi)挖后，拱頂下沉量持續(xù)增長(zhǎng)，直至下臺(tái)階開(kāi)挖完畢后，拱頂沉降速率有減慢收斂的趨勢(shì)，此時(shí)累計(jì)沉降量已達(dá)150 mm。然而，仰拱開(kāi)挖使應(yīng)力平衡再次遭到破壞，隧道拱頂出現(xiàn)新一輪的沉降，但隨著初期支護(hù)閉合及一系列加固措施實(shí)施后，拱頂沉降量基本穩(wěn)定在170 mm并逐漸收斂。

5.1.3 周邊收斂位移。周邊水平收斂曲線如圖3所示。從圖3可知，周邊位移變化與拱頂下沉變化相似，曲線整體呈“拋物線”形狀，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的收斂曲線走向基本一致，在隧道開(kāi)挖期間均以較快的速率向洞內(nèi)變形，并在隧道仰拱開(kāi)挖后，收斂速率進(jìn)一步增長(zhǎng)。其中，右邊墻部位中下臺(tái)階交接處的S2-1點(diǎn)收斂速率較大，說(shuō)明該部位圍巖破壞變形較為嚴(yán)重。為抑制圍巖進(jìn)一步向洞內(nèi)變形，及時(shí)采用了加固措施，抑制了圍巖的進(jìn)一步變形并逐漸收斂，右邊墻點(diǎn)S1-1和點(diǎn)S2-1的最終累計(jì)收斂值分別為170 mm和250 mm，左邊墻點(diǎn)S1-2和點(diǎn)S2-2最終累計(jì)收斂值分別為150 mm和190 mm，累計(jì)變形量均在安全范圍內(nèi)。此時(shí)隧道圍巖變形已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)施加二次襯砌[8]。

5.2 選測(cè)項(xiàng)目

5.2.1 圍巖接觸應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析。圍巖接觸應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，圍巖變形后作用在初期支護(hù)上的力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，右邊墻處圍巖壓力增長(zhǎng)最為顯著，最大圍壓壓力達(dá)到0.3 MPa;最小圍壓壓力位于左拱肩，其值為0.045 MPa。這說(shuō)明隧道邊墻產(chǎn)生了較大的變形破壞，這與隧道所處地區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力大的特征基本相符。同時(shí)，該測(cè)段為高度發(fā)育的節(jié)理化軟巖，具有明顯的各向異性，隨著圍巖逐漸被破壞，其應(yīng)力進(jìn)行了多次重新分布。

5.2.2 鋼拱內(nèi)力監(jiān)測(cè)分析。鋼拱架（內(nèi)側(cè)）內(nèi)力時(shí)程曲線和鋼拱架（外側(cè)）內(nèi)力時(shí)程曲線如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，鋼拱架全部承受壓應(yīng)力，應(yīng)力分布極不均勻，在前期受力變化很大，說(shuō)明鋼拱架的存在約束了圍巖的松弛和塑性區(qū)的擴(kuò)大，在后期呈收斂趨勢(shì)，說(shuō)明鋼拱架的設(shè)計(jì)荷載能滿足要求。鋼拱架內(nèi)、外側(cè)峰值內(nèi)力均位于右邊墻，分別為-28kN和-41kN。鋼拱架內(nèi)、外側(cè)內(nèi)力最小值均位于左邊墻，分別為-12kN和-10kN。右側(cè)受力相對(duì)大些，也符合該隧道右側(cè)圍巖較破碎的特點(diǎn)。

5.2.3 錨桿軸力監(jiān)測(cè)分析。錨桿軸力內(nèi)、外時(shí)程曲線如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，隧道錨桿內(nèi)、外側(cè)鋼筋計(jì)均受拉，說(shuō)明圍巖能將應(yīng)力傳遞至錨桿達(dá)到控制圍巖變形的作用。錨桿軸力時(shí)程曲線經(jīng)過(guò)急劇變形、持續(xù)增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)三個(gè)階段后逐漸趨于收斂。從變化曲線圖中還可以看出，錨桿內(nèi)側(cè)軸力峰值為50 kN，位于拱頂，外側(cè)軸力峰值為42 kN，位于右邊墻。分析錨桿軸力數(shù)據(jù)可知，錨桿軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，表明錨桿有較大的安全系數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選取典型斷面和典型測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出隧道開(kāi)挖過(guò)程中拱頂下沉、周邊收斂位移、仰拱隆起、圍巖接觸應(yīng)力、錨桿軸力和鋼拱內(nèi)力的變化規(guī)律，結(jié)論如下。

①?gòu)墓绊斚鲁帘O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，在下臺(tái)階、仰拱開(kāi)挖期間拱頂下沉量較大，但處于合理變化范圍內(nèi)[9]。本工程隧道拱頂沉降量基本穩(wěn)定在170 mm并逐漸收斂。

②右邊墻點(diǎn)S1-1和點(diǎn)S2-1的最終累計(jì)收斂值分別為170 mm和250 mm，左邊墻點(diǎn)S1-2和點(diǎn)S2-2最終累計(jì)收斂值分別為150 mm和190 mm，累計(jì)變形量均在安全范圍內(nèi)。S2-1點(diǎn)收斂速率較大，說(shuō)明該部位圍巖破壞變形較為嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)施加加固措施。

③圍巖接觸應(yīng)力最大值達(dá)到0.3 MPa，位于右邊墻;最小圍壓壓力位于左拱肩，其值為0.045 MPa。在測(cè)試兩個(gè)月之后，圍巖接觸壓力值基本收斂，未出現(xiàn)時(shí)程曲線發(fā)散的情況，圍巖穩(wěn)定。同時(shí)，右拱腰的圍巖接觸壓力值較大，表明該監(jiān)測(cè)斷面存在一定程度的偏壓。

④鋼拱架內(nèi)、外側(cè)峰值內(nèi)力均位于右邊墻，分別為-28 kN和-41 kN。鋼拱架內(nèi)、外側(cè)峰值內(nèi)力最小值均位于左邊墻，分別為-12 kN和-10 kN。右側(cè)受力相對(duì)大些，也比較符合該隧道右側(cè)圍巖較破碎的特點(diǎn)。

⑤錨桿內(nèi)側(cè)軸力峰值為50 kN，位于拱頂;外側(cè)軸力峰值為42 kN，位于右邊墻。錨桿軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，表明錨桿有較大的安全系數(shù)。

楊家坪隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)分析表明，該隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性良好，并未發(fā)生失穩(wěn)破壞，監(jiān)控量測(cè)資料也從側(cè)面反映了施工的實(shí)際情況，是施工中不可或缺的部分。監(jiān)控量測(cè)工作是隧道安全施工的必要條件，對(duì)隧道的開(kāi)挖施工、初期支護(hù)、二襯的合理步距具有指導(dǎo)性意義。監(jiān)控量測(cè)工作貫穿于整個(gè)隧道施工的全過(guò)程，直至隧道運(yùn)營(yíng)[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷拴成，周云鵬.超大斷面黃土公路隧道監(jiān)控量測(cè)與分析[J].施工技術(shù)，2014（18）：82-86.

[2]靳曉光，王蘭生，衛(wèi)宏.公路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)及其應(yīng)用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2000（1）：19-23.

[3]羅興虎.港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道信息化監(jiān)測(cè)分析[J].鐵道建筑，2015（5）：86-88.

[4]張奇.監(jiān)控量測(cè)在崤山長(zhǎng)大隧道施工中的應(yīng)用[J].冶金叢刊，2017（4）：60，69.

[5]黃永清.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)在公路隧道施工中的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2010（2）：67-69.

[6]陳忠球.監(jiān)控量測(cè)在石鼓特長(zhǎng)隧道施工中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2011（1）：115-117.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程：TB 10304—2009[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[8]賀云.公路隧道監(jiān)控量測(cè)及圍巖穩(wěn)定性分析[J].華東公路，2018（2）：32-35.

[9]王建宇.隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.

[10]郝哲，趙春艷，胡鐵明，等.公路隧道施工中的測(cè)試與監(jiān)控技術(shù)[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（6）：47-51.