高速公路隧道軟巖大變形段襯砌裂縫及變形監(jiān)測(cè)

梁道盛

(三明永寧高速公路有限責(zé)任公司，福建三明 365000)

1 石林隧道工程概況

石林隧道位于永安市大湖鎮(zhèn)魏坊村南面，設(shè)計(jì)為雙洞分離式隧道。隧道單洞設(shè)計(jì)凈寬12.52 m，左洞樁號(hào)為 ZK13+840～ZK16+715，長(zhǎng) 2 875 m;右洞樁號(hào)為 YK13+865 ～ YK16+730，長(zhǎng)2 865 m，進(jìn)、出口皆采用削竹式洞門(mén)。本隧道場(chǎng)址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深;洞身最高點(diǎn)海拔1 003.4 m，洞身地表地勢(shì)較為陡峻，溝塹較發(fā)育，主要為在洞身處發(fā)育有NW向兩條溝谷，寬度較小，但切割較深且較長(zhǎng)，呈V形，兩條較大溝谷的地表水均較豐富。

由于受區(qū)域構(gòu)造影響，隧道區(qū)的地層因褶皺倒轉(zhuǎn)，從地表出露地層分析，隧道從進(jìn)口至出口的地層關(guān)系為:石炭系林地組(C1l)、泥盆系桃子坑組(D3tz)、泥盆系天瓦崠組(D3t)、奧陶系魏坊群(O1wf)地層，由于受沉積環(huán)境的影響，各巖性變化規(guī)律性不強(qiáng)，并相互夾帶。主要巖性有:進(jìn)口段林地組(C1l)石英砂巖、泥巖夾千枚巖下伏船山組灰?guī)r(C3c);洞身段為泥盆系桃子坑組(D3tz)及天瓦崠組(D3t)石英砂巖、石英砂礫巖、砂巖及千枚狀粉砂巖;出口段地層為奧陶系魏坊群(O1wf)變質(zhì)砂巖、千枚狀粉砂巖、泥巖，局部夾硅質(zhì)條帶，地層巖性軟硬夾層或互層。

從施工情況反映的結(jié)果來(lái)看，石林隧道進(jìn)口右洞自YK14+000起至掌子面YK14+398段連續(xù)出現(xiàn)突泥、涌水現(xiàn)象，且?guī)状纬霈F(xiàn)塌方。YK14+260～YK14+320段共60 m仰拱底部底鼓嚴(yán)重，最大鼓起量36 cm。該段巖性為石炭系船山組灰?guī)r、林地組泥巖、石英砂巖夾千枚狀粉砂巖及其風(fēng)化層，圍巖以砂土～碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖、石英砂巖及灰?guī)r為主。另外，在YK14+320～YK14+360段和YK14+390～YK14+410段仰拱雖未明顯鼓起，但填充層中間位置也形成了一道寬約1 cm～2 cm的裂縫。由于石林隧道圍巖性質(zhì)、所處的地質(zhì)條件及應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性，針對(duì)石林隧道的不良地質(zhì)災(zāi)害情況，為評(píng)價(jià)石林隧道底鼓變形段襯砌結(jié)構(gòu)的安全，必須對(duì)隧道底鼓變形段襯砌裂縫情況及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本文結(jié)合石林隧道YK14+230～YK14+350段大變形災(zāi)害的實(shí)際情況，重點(diǎn)介紹了隧道襯砌表面裂縫的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法及監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 隧道襯砌裂縫監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果分析

2.1 裂縫分布形態(tài)調(diào)查

隧道表觀(guān)裂縫檢測(cè)以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主，主要包括YK14+230～YK14+350檢測(cè)段二次襯砌內(nèi)表面裂縫兩方面的內(nèi)容，調(diào)查重點(diǎn)為隧道的裂縫形態(tài)、長(zhǎng)度和寬度等開(kāi)裂特征。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要以觀(guān)察和簡(jiǎn)易測(cè)量為主，以隧道拱頂軸線(xiàn)為界將隧道分成左右兩個(gè)側(cè)面，調(diào)查工作就在這兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)行。調(diào)查時(shí)將左側(cè)面從上到下分成ZC1(拱頂?shù)阶髠?cè)照明中心軸線(xiàn))、ZC2(左側(cè)照明中心軸線(xiàn)到左側(cè)起拱線(xiàn))和ZC3(左側(cè)起拱線(xiàn)到檢修道頂)三個(gè)調(diào)查區(qū)域;同樣，也將右側(cè)面從上到下分成YC1(拱頂?shù)接覀?cè)照明中心軸線(xiàn))、YC2(右側(cè)照明中心軸線(xiàn)到右側(cè)起拱線(xiàn))和YC3(右側(cè)起拱線(xiàn)到檢修道頂)三個(gè)調(diào)查區(qū)域。

調(diào)查前，分別在隧道檢測(cè)段左右邊墻上每隔5 m標(biāo)明隧道樁號(hào)。調(diào)查時(shí)采用鋼卷尺或目測(cè)出裂縫的分布位置。采用羅盤(pán)或量角器量測(cè)裂縫傾角，用鋼卷尺量測(cè)裂縫長(zhǎng)度，用裂縫計(jì)量測(cè)裂縫寬度，并詳細(xì)記錄裂縫的形態(tài)。調(diào)查結(jié)果用預(yù)先設(shè)計(jì)好的專(zhuān)用表格記錄，對(duì)開(kāi)裂較嚴(yán)重的部位進(jìn)行詳細(xì)的描述，并用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄。

石林隧道檢測(cè)段YK14+230～YK14+350里程二次襯砌裂縫調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

從隧道檢測(cè)段YK14+230～YK14+350里程來(lái)看，石林隧道右線(xiàn)二襯裂縫數(shù)量較多，共有14條裂縫，左側(cè)6條，右側(cè)7條，主要集中在YK14+280～YK14+310段。左右兩側(cè)裂縫最長(zhǎng)約3.0 m，最大寬度約2.5 mm，兩側(cè)裂縫分布近于左右對(duì)稱(chēng)，以垂直于隧道軸線(xiàn)的板內(nèi)橫向裂縫為主，并發(fā)育有少量的斜裂縫，未見(jiàn)明顯的縱裂縫。綜觀(guān)二次襯砌裂縫分布的形式、部位、長(zhǎng)度和寬度等特征，并結(jié)合本段隧道底板底鼓變形特點(diǎn)，可以認(rèn)為隧道二襯開(kāi)裂現(xiàn)象較嚴(yán)重，襯砌裂縫以結(jié)構(gòu)型裂縫為主，并影響到觀(guān)瞻，應(yīng)予以密切關(guān)注并加以妥善的處理。從隧道襯砌裂縫的形式、部位、寬度和發(fā)布特征來(lái)看，裂縫主要集中在YK14+280～YK14+310段，目前初步勘察有14處開(kāi)裂，裂縫基本以垂直隧道軸線(xiàn)的環(huán)向裂縫為主，并存在部分斜裂縫，裂縫平均寬度較小，基本在0.2 mm～2.5 mm之間，傾角10°左右，裂縫間距在3.0 m以下。

2.2 裂縫變化情況監(jiān)測(cè)

對(duì)已發(fā)現(xiàn)的14處裂縫布置14只測(cè)縫尺并結(jié)合游標(biāo)卡尺進(jìn)行裂縫的變化情況監(jiān)測(cè)，如圖1所示。相應(yīng)的里程如表2所示。測(cè)縫尺安裝于襯砌混凝土表面開(kāi)裂處，上下兩塊測(cè)縫尺重疊，讓上下刻度尺X軸、Y軸數(shù)值調(diào)整到零的狀態(tài)，再用膠紙進(jìn)行固定，把固定好的測(cè)縫尺貼在襯砌混凝土表面開(kāi)裂處，在測(cè)縫尺兩端四個(gè)孔分別用φ6鉆頭鉆孔，并用螺絲鎖緊，安裝固定后讀取X軸、Y軸初始讀數(shù)。布置示意圖如圖1所示。

圖1 襯砌表面測(cè)縫尺的布置示意圖

表2 石林隧道右線(xiàn)測(cè)縫尺測(cè)點(diǎn)里程及編號(hào)

圖2和圖3為典型斷面裂縫的變化情況監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，裂縫寬度仍存在細(xì)微的變化，但總體變化較小，寬度月累計(jì)增大0.1 mm左右。其他測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值也存在細(xì)微的波動(dòng)，但累計(jì)變化相對(duì)較小，數(shù)值曲線(xiàn)總體較平穩(wěn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂縫狀況分析表明，目前二次襯砌裂縫未出現(xiàn)較明顯的發(fā)展跡象，對(duì)洞內(nèi)進(jìn)一步觀(guān)察也未發(fā)現(xiàn)新增裂縫，說(shuō)明針對(duì)隧道大變形段采取的加固措施起到了一定效果，隧道圍巖在應(yīng)力進(jìn)一步調(diào)整之后總體上趨于穩(wěn)定。

圖2 YK14+281.4斷面左側(cè)裂縫寬度增量曲線(xiàn)圖

圖3 YK14+296.4斷面右側(cè)裂縫寬度增量曲線(xiàn)圖

2.3 襯砌表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)

表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在YK14+250～YK14+325里程內(nèi)襯砌存在裂損的區(qū)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)沿內(nèi)輪廓在拱頂、左右拱腰和左右邊墻處布置，共計(jì)7個(gè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)5只表面應(yīng)變計(jì)，共計(jì)應(yīng)變計(jì)35只，測(cè)點(diǎn)相應(yīng)里程如表3所示。

表3 石林隧道右線(xiàn)應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)里程及儀器編號(hào)

應(yīng)變計(jì)安裝于襯砌混凝土表面，安裝方法:用φ8鉆頭鉆孔，在鉆好的孔中打入膨脹螺栓鎖緊螺絲先將儀器一端端頭固定，將支桿安裝在固定好的端頭，再把另一端端頭安裝在支桿上，用φ6鉆頭在端頭兩邊鉆孔定位，后用φ8鉆頭鉆孔，在鉆好的孔中打入膨脹螺栓鎖緊螺絲將儀器安裝固定，安裝固定后采集初始頻率。布置示意圖如圖4所示。

圖4 襯砌表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)示意圖

如圖5，圖6所示為襯砌典型斷面表面應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果。分析結(jié)果表明，應(yīng)變—時(shí)間曲線(xiàn)在仰拱更換期間出現(xiàn)一定波動(dòng)，少數(shù)斷面應(yīng)變值出現(xiàn)較大突變，如YK14+250斷面左拱腰應(yīng)變值前后變化量均超過(guò)100 με，之后曲線(xiàn)又趨于平穩(wěn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)調(diào)查，疑為隧道仰拱更換期間測(cè)線(xiàn)受到機(jī)械拉拽導(dǎo)致的應(yīng)變瞬間增大。其他斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線(xiàn)總體較平穩(wěn)?？傮w上看，目前二次襯砌表面應(yīng)變已無(wú)較大變化，基本穩(wěn)定。

圖5 YK14+250斷面襯砌表面應(yīng)變曲線(xiàn)圖

圖6 YK14+265斷面襯砌表面應(yīng)變曲線(xiàn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)石林隧道右線(xiàn)YK14+230～YK14+350里程范圍內(nèi)進(jìn)行的二襯裂縫調(diào)查和分析，可得以下結(jié)論:

1)石林隧道右線(xiàn)所檢測(cè)的襯砌段內(nèi)，共有14處裂縫，主要為分布在YK14+280～YK14+306地段的橫向裂縫，可能影響到隧道施工安全、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和觀(guān)瞻，應(yīng)予以密切關(guān)注并加以妥善處理。2)在隧道右線(xiàn)YK14+296和YK14+304～YK14+306樁號(hào)附近，左右兩側(cè)二襯內(nèi)表面上均分布著對(duì)稱(chēng)性裂縫，可直接影響到襯砌結(jié)構(gòu)的受力和穩(wěn)定性。在隧道右線(xiàn)YK14+301樁號(hào)處，隧道二襯出現(xiàn)裂縫群，分布密集，可影響到襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要采取加固措施。3)襯砌表面裂縫及應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道開(kāi)挖卸荷引起的軟巖大變形災(zāi)害持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，襯砌混凝土在一段時(shí)間內(nèi)均存在較明顯的變形，但針對(duì)大變形段圍巖采取加固措施后襯砌表面應(yīng)變及裂縫寬度均較穩(wěn)定，說(shuō)明加固措施起到較好的作用。

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