偏壓軟弱圍巖隧道進(jìn)洞階段監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

摘 要:偏壓、軟弱圍巖隧道進(jìn)洞階段施工困難，監(jiān)控量測(cè)等是保證隧道安全施工的有力措施。某新建高速公路隧道地處湘西南地區(qū)，洞口偏壓、圍巖軟弱，進(jìn)洞階段適逢雨季，洞口開挖后出現(xiàn)了大面積的初期支護(hù)開裂、混凝土剝落，洞口地表開裂，截水溝壓潰，嚴(yán)重影響隧道安全和穩(wěn)定。將監(jiān)控量測(cè)納入隧道施工過(guò)程，根據(jù)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工，保證了隧道的安全和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:隧道 偏壓 軟弱圍巖 監(jiān)控量測(cè)

中圖分類號(hào):U44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)12(b)-0040-03

1 引言

某隧道為新建高速公路控制性工程，左右幅分離，單洞長(zhǎng)度3651m，于2009年底開工建設(shè)。項(xiàng)目沿線地形屬云貴高原向江南丘陵過(guò)渡的湘西南地帶，區(qū)內(nèi)多為砂質(zhì)板巖地區(qū)，斷層、軟弱夾層，破碎地層、節(jié)理密集帶、富水裂隙帶廣泛分布。

地質(zhì)調(diào)查表明，隧道右洞出口端處于山坳出口，隧址嚴(yán)重偏壓，右側(cè)地表平緩，約800㎡水田，常年有小溪狀流水，表層為殘坡積種植土，植被發(fā)育，砂漏層。春夏屬湘西南地區(qū)雨季，陣雨、暴雨隨時(shí)而至，降水在地表漫流滲入，下有浸泡圍巖使得圍巖泥化，軟弱，巖體抗剪強(qiáng)度大大降低，增大襯砌壓力，嚴(yán)重影響洞口邊坡和隧道圍巖的安全和穩(wěn)定。

根據(jù)設(shè)計(jì)，隧道右洞出口端按V級(jí)圍巖施工，施工參數(shù)為S5a:初期支護(hù)采用C20噴射混凝土，厚24cm，18型工字鋼閉合環(huán)，間距75cm，超前小導(dǎo)管16環(huán)，D25注漿錨桿，長(zhǎng)3m，0.75×1.00m布置;二襯厚度45cm，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。明洞交接樁號(hào)YK117+796。

2 超前預(yù)報(bào)

本隧道采用地質(zhì)分析法和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)為SIR-3000型，采用100MHz天線。

超前預(yù)報(bào)表明，隧道出口端里程YK117+796～YK117+710范圍圍巖為強(qiáng)～中風(fēng)化灰白色砂質(zhì)板巖，巖體破碎軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，陡傾角，裂隙水發(fā)育，局部呈滴水狀，圍巖整體穩(wěn)定性差，局部區(qū)域有軟弱破碎斷層穿過(guò)。水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響大，巖石遇水宜溶。

根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，隧道開挖后易產(chǎn)生坍塌和大變形，掘進(jìn)中注意施工工藝，預(yù)留核心土，做好超前支護(hù)，開挖后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，做好防突水突泥、防坍塌預(yù)案。對(duì)預(yù)報(bào)顯示的局部軟弱圍巖地段采用6m長(zhǎng)φ42雙層超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。

3 監(jiān)控量測(cè)及施工措施

為確保隧道施工期間的安全性，并對(duì)可能發(fā)生危及安全的隱患或事故及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，引入監(jiān)控量測(cè)制度并貫穿整個(gè)施工過(guò)程[1]。

監(jiān)控量測(cè)在洞口段每5m布置一個(gè)量測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置1～2條收斂測(cè)線(每臺(tái)階斷面布置1條收斂測(cè)線)和3個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)。按照規(guī)范要求當(dāng)量測(cè)速率大于5.0mm/d或累計(jì)值超過(guò)規(guī)范規(guī)定值或設(shè)計(jì)值時(shí)，表明圍巖處于急劇變化狀態(tài)，應(yīng)報(bào)警并進(jìn)行加固(1)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本隧道V級(jí)圍巖預(yù)留變形量為12cm。

由于隧道右洞出口端圍巖軟弱、洞口偏壓，加上進(jìn)洞階段適逢雨季，整個(gè)進(jìn)洞階段歷時(shí)近5個(gè)月，整個(gè)施工過(guò)程主要可分成5個(gè)階段，如圖1隧道施工過(guò)程圖，圖中①～⑤為施工5個(gè)階段，圖中文字說(shuō)明為階段施工過(guò)程和施工加固措施。

(1)階段一:裂縫出現(xiàn)、發(fā)展，量測(cè)結(jié)果變化明顯。洞頂、邊坡注漿，超前大管棚加固;

截止2月8日，上臺(tái)階掘進(jìn)至YK117+760，累計(jì)掘進(jìn)36m。2月20日復(fù)工后，發(fā)現(xiàn)洞口端初期支護(hù)出現(xiàn)多條斜向裂紋，裂縫長(zhǎng)度1～7m，最大寬度4mm。洞內(nèi)出現(xiàn)多條沿拱架裂紋，從拱腳延伸至拱腰，且裂縫持續(xù)發(fā)展;洞內(nèi)個(gè)別鋼支撐表面混凝土剝落。洞頂邊坡出現(xiàn)多條裂縫，特別是偏壓左側(cè)截水溝多處開裂擠潰，經(jīng)觀測(cè)洞口圍巖和邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，掌子面停止掘進(jìn)。

監(jiān)控量測(cè)表明:近掌子面監(jiān)測(cè)斷面，隨開挖擾動(dòng)，量測(cè)數(shù)據(jù)變化明顯，YK117+773和YK117+763斷面周邊收斂速率達(dá)到-0.74～-1.85mm/d，拱頂下沉速率為-2.39～4.68mm/d，位移不穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)變化至掌子面停止掘進(jìn)后，如圖2和圖3監(jiān)測(cè)斷面YK117+773和YK117+763位移和速率變化曲線。

3月4日開始進(jìn)行洞口洞頂邊坡注漿和超前大管棚加固。管棚采用φ108無(wú)縫鋼管，壁厚6mm，節(jié)長(zhǎng)3m，水泥-水玻璃漿液，注漿初壓0.5～1.0MPa，終壓2.0MPa。在山凹區(qū)域新修截水溝，匯聚前方地表水，并引出隧道影響區(qū)。

(2)階段二:裂縫持續(xù)發(fā)展，鋼拱架的混凝土剝落，洞口段初期支護(hù)進(jìn)行注漿加固;

3月，初期支護(hù)混凝土裂縫繼續(xù)發(fā)展，從拱腳延伸至拱腰，鋼拱架的混凝土剝落擴(kuò)大，隧道洞內(nèi)較大范圍滲水，雨天局部位置滴水如淋雨?duì)睢?月10日開始對(duì)洞口段初期支護(hù)進(jìn)行注漿加固。φ42注漿花管，注漿材料采用水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.6～1.0MPa。

監(jiān)控量測(cè)表明:3月中旬，洞口邊坡注漿后，量測(cè)速率顯著變小，但仍未穩(wěn)定，特別是3月底4月初連續(xù)幾天下雨，洞口監(jiān)測(cè)斷面每天沉降達(dá)到-0.30～-0.70mm。

(3)階段三:仰拱開挖，掌子面恢復(fù)掘進(jìn)。

3月26日開始進(jìn)行下導(dǎo)仰拱施工，至4月底洞口段40m仰拱施工完成。掌子面恢復(fù)掘進(jìn)，按V級(jí)圍巖施工，施工參數(shù)為S5a，上下臺(tái)階，預(yù)留核心土開挖，局部軟弱圍巖地段采用6m長(zhǎng)φ42雙層超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。

監(jiān)控量測(cè)表明:4月初，隨下導(dǎo)仰拱施工，監(jiān)控?cái)嗝媪繙y(cè)數(shù)據(jù)明顯變大，周邊收斂速率達(dá)到-1.29～-1.84mm/d，拱頂下沉速率為-0.26～0.71mm/d，其中YK117+773累計(jì)收斂達(dá)到-40.9mm，累計(jì)拱頂下沉達(dá)到-55.03mm。4月中旬，該區(qū)段仰拱施工完成，量測(cè)結(jié)果變小，周邊收斂速率達(dá)到-0.44～-0.86mm/d，拱頂下沉速率為-0.41～0.46mm/d。

(4)階段四:圍巖支護(hù)變形加劇，變形超限段增設(shè)套拱和臨時(shí)仰拱。

4月～5月，雨季雨量充沛，隧道洞內(nèi)有較大范圍滲水，局部如淋雨?duì)睢Ａ芽p繼續(xù)發(fā)展，最寬裂縫達(dá)到3.0cm。鋼拱架的混凝土剝落，特別是拱頂和拱腳區(qū)域，在滲滴水作用下，混凝土剝落嚴(yán)重。洞口地表噴射的混凝土多處開裂，截水溝多處嚴(yán)重?cái)D潰，最寬處達(dá)到6.0cm，如圖6和圖6。洞口邊坡含水較豐富，地表徑流匯集滲入，土體的摩阻力減少，加劇洞內(nèi)圍巖的不穩(wěn)定狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)斷面YK117+773和YK117+763量測(cè)數(shù)據(jù)較上一周明顯變大，周邊收斂速率為-1.09～-1.53mm/d，拱頂下沉速率為-1.10～-1.21mm/d。

5月上旬，量測(cè)速率持續(xù)變大，周邊收斂速率達(dá)到-5.00～-5.36mm/d，拱頂下沉速率達(dá)到-3.99～-4.84mm/d，YK117+763累計(jì)收斂-100.60mm，拱頂累計(jì)下沉-87.0mm，量測(cè)速率大于5.0mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變化狀態(tài)。監(jiān)測(cè)斷面YK117+753收斂速率達(dá)到-3.50mm/d，拱頂下沉速率達(dá)到-16.45mm/d，累計(jì)周邊收斂-51.40mm，拱頂累計(jì)下沉-148.40mm，累計(jì)量測(cè)變形值超過(guò)設(shè)計(jì)最大允許值，局部初期支護(hù)侵限。基于此，發(fā)布監(jiān)控預(yù)警指令，掌子面停止掘進(jìn)，洞口段圍巖支護(hù)進(jìn)行注漿加固，YK117+747～YK117+736段增加套拱和臨時(shí)仰拱(圖4，圖5)。

5月5日，初期支護(hù)混凝土裂縫擴(kuò)展延伸，混凝土剝落區(qū)域加大，洞口段進(jìn)行注漿加固，YK117+747～YK117+736增加套拱和臨時(shí)仰拱。套拱采用全環(huán)I18鋼架，與原支護(hù)噴混凝土密貼，φ42小導(dǎo)管鎖腳。臨時(shí)仰拱采用I20鋼架，上下布設(shè)φ22@1000連接筋，拱內(nèi)澆注C25混凝土，每榀設(shè)置。注漿采用水泥漿，水灰比1∶1。

監(jiān)控量測(cè)表明:注漿加固后，量測(cè)數(shù)據(jù)變化趨緩，至5月下旬，監(jiān)測(cè)斷面YK117+773和YK117+763周邊收斂速率為-1.11～-1.49mm/d，拱頂下沉速率為-0.68～-1.08mm/d，圍巖支護(hù)仍不穩(wěn)定，YK117+730～YK117+770區(qū)域已施工段初期支護(hù)噴射混凝土裂縫繼續(xù)發(fā)展，從拱腳延伸至拱頂區(qū)域，呈閉環(huán)發(fā)展趨勢(shì)。

(5)階段五:施做二襯。

監(jiān)控量測(cè)表明:5月底，監(jiān)測(cè)斷面YK117+773和YK117+763周邊收斂速率為-0.34～-0.59mm/d，拱頂下沉速率為-0.04～-0.49mm/d，二襯準(zhǔn)備施工。6月初，洞口段15m明洞和30m二襯施工完成，持續(xù)觀察后，二襯未見異常。

在洞口段的整個(gè)施工過(guò)程，監(jiān)控量測(cè)和超前預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)反映了圍巖和支護(hù)的變形情況，量測(cè)結(jié)果對(duì)隧道施工進(jìn)行有效的指導(dǎo)，預(yù)防了事故的發(fā)生，體現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)施工”的目的，確保了隧道施工的安全和質(zhì)量。

4 施工總結(jié)

分析認(rèn)為，造成本隧道洞口施工困難主要有以下幾方面原因:

(1)地質(zhì)方面:隧址嚴(yán)重偏壓，圍巖級(jí)別低，有軟弱破碎帶穿過(guò)。洞口山體對(duì)圍巖支護(hù)不僅有偏壓作用，而且還有線路方向的強(qiáng)大推力，導(dǎo)致洞口套拱出現(xiàn)明顯的斜向裂縫。

(2)水文方面:隧道進(jìn)洞階段為雨季，嚴(yán)重影響圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。地表邊坡未做良好的做噴錨處理，雨水經(jīng)砂漏層滲入加劇破壞圍巖穩(wěn)定。

(3)施工方面:施工工序不合理，仰拱未跟進(jìn)，不及時(shí)閉合;初期支護(hù)存留時(shí)間太長(zhǎng)，圍巖支護(hù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致支護(hù)變形量大;二襯未及時(shí)施做。

雖然造成偏壓、軟弱圍巖隧道進(jìn)洞階段施工困難的原因是多方面的，但通過(guò)將超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)納入隧道施工過(guò)程，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)施工，是保證了隧道的安全和質(zhì)量的有效措施。本隧道施工過(guò)程根據(jù)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果提出了以下有針對(duì)性的措施，保證了隧道施工安全和施工的順利進(jìn)行。

(1)掘進(jìn)中注意施工工藝，預(yù)留核心土，做好超前支護(hù)，開挖后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，做好防突水突泥、防坍塌預(yù)案。

(2)確保鎖腳錨桿施工質(zhì)量，控制超挖，保證回填質(zhì)量。

(3)確保仰拱施工緊跟，盡早封閉成環(huán)，下導(dǎo)坑開挖采用跳槽的形式，一次開挖長(zhǎng)度不可過(guò)長(zhǎng)。盡早進(jìn)行二襯施工，防止圍巖變形過(guò)大。

(4)在初襯水量較大處加密環(huán)向排水管的間距，達(dá)到良好排水的目的。

(5)注意洞內(nèi)外排水，邊坡裂縫及時(shí)封閉，地表徑流引流至排水溝，使雨水順暢排出隧址區(qū)，防止雨水沖刷、入滲，影響邊坡和洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)偏壓隧道，開挖進(jìn)洞困難，應(yīng)先采取防止偏壓措施，改善山體的穩(wěn)定條件。

(2)軟弱圍巖隧道應(yīng)堅(jiān)持“管超前、短開挖、嚴(yán)注漿、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉、快襯砌”的施工原則，注意鎖腳導(dǎo)管、錨桿施工質(zhì)量，控制超挖，開挖后及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)，確保噴層質(zhì)量。

(3)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)是確保隧道安全，保證施工進(jìn)度的重要措施，應(yīng)貫穿整個(gè)隧道施工過(guò)程。

(4)對(duì)于軟弱圍巖，隨著圍巖的固結(jié)和流變，作用在支護(hù)上的荷載會(huì)越來(lái)越大，為避免圍巖支護(hù)變形過(guò)大，二襯需及時(shí)施做，不必拘泥二襯施做的穩(wěn)定條件。

參考文獻(xiàn)

[1]《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121-2007).

①作者簡(jiǎn)介:呂曹炯(1982— )，男，工程師，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系。