隧道大變形段落的監控量測與加固方案研究

周建芳

(中鐵十四局集團第五工程有限公司，山東兗州 272117)

1 工程概況

六盤山隧道設計為單洞分離式隧道，左右線間隔31-48 m，屬超長隧道。左線隧道起止R=3 060的圓曲線上，隧道縱坡為1.676/－2.782;右線隧道起止樁號為 K6+230，K15+710，隧道長度9 480 m，右線進口位于直線上，出口位于半徑為R=3 080的圓曲線上，隧道縱坡為1.68/－2.7。項目區地勢基本上是中間高兩側低，六盤山主脈地勢最高，海拔2 900 m左右，南北走向，為中低山嶺地段，區內峰巒疊嶂、溝谷縱橫、山大溝深，路線經過處寬度約10 km。區內地貌以成因類型、形態可劃分為侵蝕構造中低山、侵蝕構造丘陵、渝河三級階地和侵蝕堆積河谷四種地貌類型。隧址內出露地層主要為白堊系、第三系，并有覆蓋于基巖之上的第四系堆積層。地質構造主要表現為褶皺及斷裂。紅莊—山河鎮向斜北段開闊，南段收斂，向南東方向傾伏，褶皺軸形態與六盤山山體基本一致，繞六盤山呈半圓弧形分布。米缸山背斜東翼受斷層影響，地層傾角較陡。固原—涇源向斜在下白堊系地層在燕山期褶皺形成向斜，喜山期和下第三系地層又繼承性發展。兩條主要斷裂構造:靳家溝—南臺逆斷層(F1)和六盤山(和尚鋪—涇源)深大斷裂(F2)，對線路都有一定影響。隧址區地處六盤山腹地，地下水賦存主要受地質構造、地貌、巖性、氣候和古地貌條件的控制。隧址區地表水不發育，進口端溝谷具常年流水，是地下水以泉的形式補給。出口端多為無水干溝。六盤山隧道處于弱透水性巖層中，伴有干濕、凍融交替作用。

六盤山隧道出口段春節期間暫停施工15 d。春節前對隧道掌子面進行噴混凝土封閉;未成環初支段采取了補打鎖腳錨管、施作臨時仰拱封閉等措施。春節前對左洞的斷面復測，初期支護均未侵入二次襯砌范圍。

2 監控量測實施

2.1 監控量測內容

隧道監測重點為圍巖變形、地表沉降、圍巖與隧道結構相互作用情況等內容。根據六盤山隧道具體的地質情況分為必測項目和選測項目兩部分。

2.1.1 監控量測必測項目

拱頂下沉和周邊位移是評價隧道安全狀況的最直接數據，因而是必測項目，并且需要隨著隧道的開挖全程連續進行監測，根據六盤山隧道的實際情況和規范的相關規定，在Ⅳ級圍巖區段按照每30 m布置一個斷面，Ⅴ級圍巖按照每20 m布置一個斷面。

地質及支護狀態觀察能夠最直接的反映隧道開挖過程中圍巖的變化情況，因而也需要進行全程的跟蹤調查與記錄。原則上，地質及支護狀態觀察隨開挖每循環進行，特殊情況無法及時進行的掌子面素描間隔不得超過兩個循環。

2.1.2 監控量測選測項目

除必測項目外，隨隧道開挖，在高風險段落進行選測項目的監控量測。

在高風險段落進行圍巖壓力或錨桿軸力的監測，監測隧道支護狀態。主要選測內容如表1所示。

表1 監控量測選測項目內容、目的

2.2 監控量測過程

2.2.1 隧道斷面凈空收斂

2013年2月26日，監控量測結果顯示隧道左線ZK15+475處凈空收斂數據突然變大，經采取補打鎖腳錨管、填土反壓等措施隧道收斂變形速度未見減小。斷面ZK15+475上臺階監測數據見表2。

表2 斷面ZK15+475上臺階收斂數據

2.2.2 圍巖壓力

在發現隧道斷面的拱頂下沉和水平收斂數據變大后，及時在斷面ZK15+440處進行了圍巖與初砌接觸壓力監測。

圍巖壓力監測采用振弦式壓力計，埋設點位于斷面ZK15+440上臺階的拱頂與左右拱肩處。測量時，采用振弦式頻率讀數儀完成。

圍巖與初襯之間的壓力，通過以下計算公式得到:

其中，P為被測圍巖與初襯接觸壓力，MPa;K為儀器標定系數，MPa/F;ΔF為壓力計實時測量頻率模數值相對于基準值的變化量，F;b為壓力計的溫度修正系數，MPa/℃;ΔT為壓力計的溫度實時測量值相對于基準值的變化量，℃;B為壓力計的計算修正值，MPa。

圍巖壓力監測結果見圖1。分析可以看出，圍巖存在明顯應力偏壓情況。

圖1 斷面ZK15+440圍巖與初襯接觸壓力

2.3 監控量測結果

經現場詳細勘察，結合監控量測的收斂數據與圍巖壓力監測結果，得到以下主要結論:本隧道大變形段落為砂質泥巖，無明顯滲水，圍巖傾向與隧道走向交角30°;造成該段落發生大變形的原因主要是地層構造應力及殘余應力對隧道初期支護的偏壓作用。

3 加固處理方案

在分析現有監控量測數據的基礎上，根據施工規范，對原有施工設計進行改進，加強隧道大變形段落的支護措施。在施工中采取了以下主要措施:1)加強監控量測，隧道開挖主要采用機械開挖，爆破作業只能采取松動爆破，掌子面每循環進尺在2榀拱架以內。2)施工單位采取的施作混凝土臨時仰拱措施有效的控制了隧道圍巖變形的進一步發展。3)補設鎖腳鋼管，長度4.5 m，每榀鋼架左右拱腳各2根。4)仰拱要及時跟進，ZK15+457～ZK15+440段仰拱增加型鋼拱架，并且每循環施作長度不能超過3 m。5)仰拱距掌子面距離不宜超過40 m。6)此段仰拱施工完成后若仍持續變形，及時補作鋼架支護。7)此段換拱處理待前后二襯都施作完成且強度達到設計強度100%后逐榀進行替換。8)此段增加系統錨桿，以更好的約束其繼續變形。在采取了以上措施后，斷面收斂速度明顯降低，隧道大變形迅速得到控制，具體見表2。

4 結語

在六盤山隧道的施工過程中，遇到了因圍巖偏壓造成的隧道大變形。通過監控量測斷面收斂數據，迅速發現了隧道變形趨勢，利用圍巖與初襯壓力數據，分析出隧道大變形的原因主要是圍巖偏壓。隧道發生大變形后，迅速采取加固處理措施，及時避免了工程事故，為此類工程實踐提供了借鑒。

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