強震后千枚巖隧道施工監控量測及分析

王 路，陳壽根

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

省道S302線北川曲山至茂縣界段災后重建工程曲山任家坪至禹里段漩坪隧道設計為單洞雙向行車隧道，起訖樁號為K8+800～K9+870，隧道總長1 070 m，為長隧道。設計隧道縱面位于－2.852%下坡段。隧道平曲線位于直線接RR=2 000 m圓曲線接直線接RL=380 m圓曲線上。隧道凈寬9.0 m，凈高5.0 m。

隧址區屬深切割構造侵蝕中～低山地貌區，隧道穿越斜坡平臺部位，沿近東西向展布，地勢總體為洞身較高，進出洞口較低，洞身處于斜坡平臺部位。漩坪隧道巖性以千枚巖為主，灰色、灰綠色，千枚狀構造，顯微變晶結構、變余結構，主要礦物組成為絹云母、綠泥石、石英、鈉長石，片理面具強絲絹光澤。隧道圍巖體涉及地層為含角礫粉土、粉質粘土、塊石、含粉土碎石、志留系中上統茂縣群第一亞組千枚巖，節理較發育。

1 監控量測方案設計

1.1 監測的作用

新奧法作為一種全新的隧道施工概念，其基本原理是運用各種手段(開挖方法、支護形式、監控量測等)抑制圍巖變形，最大限度地發揮圍巖自身的承載能力，使隧道施工更安全、更經濟，而其經濟性與安全性就是通過現場監控量測所獲得的圍巖、支護系統的應變和應力信息及時反饋應用于隧道設計和施工中來實現的。因此，快速、準確地進行現場監控量測和信息反饋是應用新奧法施工的關鍵。監控量測有以下幾點作用:

(1)掌握隧道斷面的變形，判斷圍巖力學行為的改變，從而對圍巖是否穩定做出評價;

(2)確定支護類型、參數和時間，以及支護結構的工作情況;

(3)探究圍巖的變形規律，為二次襯砌的施作提供準確的時間;

(4)搜集量測數據為理論解提供對比，并為后續工作提供參考及積累經驗。

1.2 監測項目的選定及要求

目前我國公路隧道施工過程中的監控量測可以分為必測項目和選測項目，參見表1。

表1 公路隧道監控量測項目

本隧道的監測項目主要為:地質和支護狀態觀測、周邊位移和拱頂沉降。

1.2.1 地質和支護狀態觀測

地質和支護狀態觀測大致分為兩大類:一是洞口周邊及洞身淺埋段;二是洞內工段。洞口周邊及洞身淺埋段的觀測應該包含:洞口處邊坡的穩定狀態;地表開裂和變形情況;洞口近接既有建筑物所受到的影響。對洞內工段的觀測更加全面細致，分為對掌子面的觀測和對初支、二次襯砌的觀測。首先，在爆破、出渣之后及時對掌子面進行觀測，利用數碼成像或繪制地質素描圖進行記錄，填寫掌子面地質狀況記錄表，與勘察設計資料作比對，進而做出正確的評價。其次，還應對已施作錨噴支護的初襯、每一榀拱架的變形以及二次襯砌的工作狀態進行詳細記錄。

1.2.2 周邊位移和拱頂沉降

在隧道開挖之后，準確量測周邊位移和拱頂沉降能夠反映出圍巖二次應力狀態所發生的力學行為改變，判斷隧道內空的穩定狀態，從而為二次襯砌提供合理的施作時間。如果隧道變形超過允許值時，周邊位移和拱頂沉降還能對其做出及時預警，正確指導現場的設計與施工。另外，量測周邊位移和拱頂沉降所預埋的點位應在同一斷面內。

1.3 監測使用儀器及監測頻率

隧道內主要監控量測項目及量測頻率參見表2[2]。

表2 主要監控量測項目及量測頻率

1.4 監測實施方法

預埋監測點的布設應該根據斷面形狀、大小以及開挖方式而采取不同的形式，同時還應與施工現場的情況相協調。結合本項目的實際開挖情況，周邊收斂位移和拱頂沉降的布點參見圖1。

圖1 隧道斷面的測點布置

圖2 拱頂下沉量測示意

測點埋設完成之后，量測點的初讀數應在12 h內或下次爆破前完成。讀數完成之后，應用醒目顏色噴漆噴于測點周圍以示提醒，注意保護。量測時，將鋼尺在拱頂測點作為標尺，后視點可設在穩定襯砌上，用精密水準儀進行觀測，通過計算求出連續兩次量測的拱頂高程，將前后兩次量測的數據H'i、Hi相減得拱頂下沉值 ΔHi[3]。拱頂下沉的量測原理參見圖2。

拱頂沉降與隧道施工共用高程控制網。對監測結果進行分析，可以得出單次沉降曲線，并可對其進行擬合，進而對最終沉降做出預測，指導施工。為使測量數據精確，消除溫度造成的誤差，應將所有儀器在隧道內靜置10 min左右，并用溫度計測定溫度之后方可開始測量。

實測位移值U不應大于隧道的極限位移U0，并按位移管理等級施工[4]，參見表3。一般情況下，宜將隧道設計的預留變形量作為極限位移，而設計變形量應根據監測結果不斷修正。

表3 位移管理等級

2 監測結果分析

取得足夠的現場觀測數據之后，可以繪制隧道變形的“位移－時間”圖、“速率－時間”圖。通過這些圖表數據可較直觀地反映出圍巖變形情況并初步判斷開挖后圍巖是否趨于穩定。若不能趨于穩定，則需要根據的變形特點，采取不同的臨時加固方案或永久加固方案[5、6]。

本文此處選取K9+245和K9+275兩個比較有代表性的斷面進行數據分析。監測結果參見圖3～圖8，每一數據均為三次測量平均所得。

結果顯示，震后千枚巖隧道變形有如下特點:

“速率—時間”圖顯示，隧道開挖后短期內收斂速率較大，水平收斂速率通常達到10 mm/d左右，圍巖處于急劇變形狀態，毛洞自穩能力差，時間效應明顯，但該收斂速率在初支后迅速趨于減小。同時開挖之后圍巖變形持續時間較長，開挖之后所形成的臨空面，即使有初支約束，變形也很難達到收斂狀態，一般在埋點后3～4周基本趨向穩定。一些隧道施工中拱頂下沉量和水平收斂值在剛開挖的一周內完成90%左右[7]，而該千枚巖隧道在開挖一周后，變形量通常僅占總變形量的50%左右。

隧道在掘進過程中，上臺階正趨于穩定的圍巖由于受到下臺階開挖的影響，變形加速特征較明顯，如參見圖7和圖8。

圖3 K9+245斷面拱頂下沉速率—時間關系

圖4 K9+245斷面水平收斂速率—時間關系

圖5 K9+275斷面拱頂下沉速率—時間關系

圖6 K9+275斷面水平收斂速率—時間關系

圖7 K9+245斷面拱頂下沉位移—時間關系

圖8 K9+275斷面拱頂下沉位移—時間關系

強震后千枚巖隧道施工過程中，初支之后圍巖變形量較大。累計平均變形量在80 mm以上，最大變形量在臺階結合處。另外，千枚巖遇水軟化甚至泥化，容易出現大變形或者塌方等不良地質現象。

3 結束語

(1)由于監測斷面處千枚巖節理較發育，風化嚴重，巖體自身的單軸抗壓能力比較低，為極軟巖。相對于其單軸抗壓能力來說，斷面處130 m左右的埋深對于此處巖體所產生的地應力已經很大，故初支之后變形較大。在下臺階開挖之后，圍巖變形速率有一個階躍提升的過程，但隨后又趨于收斂，說明在此類圍巖條件下，開挖對圍巖的擾動很大，應嚴格執行回填注漿，及時施作仰拱以形成封閉環，減小隧道周邊變形量。

(2)強震后千枚巖隧道應根據監控量測結果預留一定變形量，合理的變形量有利于發揮初期支護和圍巖的自穩定性，對于防止初支破壞和護拱開裂以及控制工程成本都有重要意義。

(3)在巖土工程的問題中具有很多不確定性，影響工程的因素極多。在采取新奧法開挖隧道時，監控量測實時信息反饋就顯得尤為重要。將實時監測運用到設計施工的動態管理當中是隧道建設必不可少的，通過數據的反饋以確定支護的類型和參數、初支的變形預留量，能夠有效預防變形過大或者坍塌事故的發生，從而提高了隧道掘進的效率，保證了工期，同時為以后類似工程累積了經驗。

(4)強震后千枚巖隧道應嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則。在監控量測指導下實施隧道的開挖與支護工作，開挖中應盡可能采取弱爆破，以減少對圍巖的擾動。

[1]關寶樹，隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社，2003

[2]JTG F60－2009公路隧道施工技術規范[S]

[3]陳小雄.現代隧道工程理論與隧道施工[M].成都:西南交通大學出版社，2006

[4]JTG/T F60－2009路隧道施工技術細則[S]

[5]王華宇，李寧.帶裂縫的隧道襯砌剛度驗算與加固[J].長安大學學報(自然科學版)，2009，29(1):64－68

[6]黎霞，高燕希，寧黎磊，等.隧道襯砌介電常數試驗與理論分析[J].中國公路學報，2008，21(5):70－74

[7]湯勇，張韜.地鐵隧道施工監控量測與分析[J].吉首大學學報(自然科學版)，2009，30(5):70－73

[8]Akira Inokuma etal.Road tunnels in Japan:deterioration and countermeasures[J].Tunneling and Underground Space Technology，1996，11(3):305－309

[9]H.Hakami.Rock characterization facility(RCE)shaft numerical computations using FLAC[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001(38):56－59