濕陷性大斷面黃土一次襯砌模筑混凝土隧道監控量測分析

劉子陽，李德武

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

隧道工程

濕陷性大斷面黃土一次襯砌模筑混凝土隧道監控量測分析

劉子陽，李德武

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

通過對蘭州南繞城某高速公路隧道進行現場監控量測，分析了現場圍巖變形、接觸壓力和一次模筑混凝土應力的變化規律，對現場圍巖的變形狀態及支護條件的可靠程度有了更科學的了解。研究成果為隧道的現場施工提供了必要的依據，同時也可為以后類似地質條件下隧道的設計和施工提供借鑒。

雙層模筑混凝土；濕陷性黃土；監控；量測

1 工程概況

蘭州南繞城某高速公路隧道位于蘭州市榆中縣境內，進口布置于上井灘溝左側階地后緣，出口布置于瑞家溝右側。進出口附近溝道較窄，隧道右線YK2+948～YK5+224、2 296 m，左線ZK2+951～ZK5+257、2 306 m，為分離式長隧道。隧址區屬于黃土梁區，海拔在1 810～2 030 m。隧址區底層可分為三大層組：第四系坡積層、第四系風積層、第四系沖洪積層，地層為Ⅴ級圍巖段。隧道采用短臺階開挖法施工，臺階總長14～20 m，隧道洞頂最大埋深為140 m，一次襯砌緊跟開挖面，嚴禁爆破開挖。

2 監控量測的實施

2.1 監控量測的目的

本研究隧道采用新奧法原理施工，周邊收斂及拱頂下沉量測是施工的重要組成部分。通過監控量測能掌握圍巖動態和支護結構的工作狀態，利用量測結果修改設計和指導施工，預見事故和險情，以便及時采取措施。量測數據經分析處理與必要的計算和判斷后，進行預測和反饋，以保證施工安全和隧道穩定。

2.2 監控斷面的選擇

通過現場地質情況的勘測，為了更好的了解圍巖的應力情況，指導和優化施工方案，監控量測的斷面選為黃土地質比較典型的ZK4+865.5斷面。

2.3 監控內容和測點布置

依據規范，隧道監測一般包括地質和支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉以及錨桿內力等必測項目和地表下沉、圍巖體內位移以及鋼支撐內力及外力等選測項目。本篇取隧道ZK4+865.5處布設監控斷面，全斷面共設8個儀器安裝點，分別位于拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻和仰拱，監控項目包括圍巖壓力、鋼拱架應力、接觸壓力。通過記錄各部位所安裝儀器的數據，對隧道施工過程中各結構的應力應變進行分析。

表1 隧道監測測試元件指標表

2.4 監測頻率

表2 隧道監測頻率表

3 監控量測數據分析

3.1 拱頂位移測量與分析

在隧道的施工過程中，針對ZK4+865.5斷面，全斷面共設9個安裝點，分別位于拱頂、拱頂左、拱頂右、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻，其中拱頂左和拱頂右側點距離拱頂水平方向的距離是1 m，拱頂、拱頂左、拱頂右三測點用于拱頂下沉測量。在各測點的鋼釬上黏貼反光膜，用高精度全站儀測量。通過記錄隧道開挖過程中圍巖的變形情況，并對變形情況進行分析。如圖1～圖2。

圖1 斷面拱頂沉降值—時間曲線圖

通過對ZK4+865.5斷面進行拱頂下沉及水平收斂觀測可以發現如下特征：

(1)變形量大。隧道開挖后，圍巖的變形明顯。監測結果表明，拱頂的最大下沉量為73.9 mm，且第2天的下沉速率較大為4.7 mm/d，之后拱頂下沉速率波動較大，第8天過后，拱頂下沉變化較小在可控制范圍之內，下沉穩定，截至數據記錄時間，拱頂下沉達到73.9 mm。

圖2 斷面測線收斂值—時間曲線圖

(2)初期變形快且變形速率大。隧道開挖后初期變形速率大，拱頂下沉速率為4.8 mm/d，上測線水平收斂速率達到0.87 mm/d，下測線水平收斂速率為-0.37 mm/d，但離隧道預留變形量的標準較遠，處在可控范圍內。初期變形速率大說明洞室圍巖壓力較大且來壓快，圍巖自穩能力及穩定性差。通過位移監測發現采用初期模筑混凝土襯砌施工對圍巖變形控制效果良好。

(3)變形持續時間長。圍巖變形持續時間較長，在初期支護變形后仍然未停止變形，甚至有所發展，收斂特征不明顯。反映了圍巖強度較低，具有一定流變特征，隧道開挖后圍巖應力重分布持續時間長。同時，圍巖變形因施工干擾明顯，如上臺階、仰拱施作對圍巖的擾動，促使圍巖進一步變形。

3.2 圍巖壓力測量與分析

由于該隧道穿越濕陷性黃土地層，圍巖穩定性極差，弄清初期支護的實際承載力及分擔圍巖應力的情況十分必要。針對ZK4+865.5斷面，將土壓力盒掏槽布設在圍巖最外側，對圍巖的受力情況進行量測。通過記錄隧道開挖過程中圍巖的受力情況，對圍巖壓力做出初步分析，圍巖壓力曲線如圖。圍巖應力最終值橫斷面分布圖3。

圖3 圍巖應力最終值橫斷面分布圖(單位：KPa)

分析圖可得出如下結論：

(1)圍巖應力隨施工的進展而不斷變化，變化規律具有普遍性。由于本隧道采用臺階法施工，隧道整體上逐漸出現“卸荷”現象，一次襯砌模筑混凝土逐漸開始承載，各測點應力隨施工進展呈緩慢增大的趨勢。

(2)在圍巖開挖的前3 d，各測點圍巖壓力皆呈急劇增大的趨勢，最大出現左拱腳處，達145.62 kPa，主要是初期由于掌子面圍巖開挖導致應力重分布圍巖壓力釋放造成的。

(3)在之后的十幾天，受超前支護、小導管、錨桿打設等加固圍巖作用的影響，左、右拱腳圍巖壓力變化較為明顯，呈先下降后上升的趨勢；從第20 d目標斷面左、右邊墻完成開挖、模筑至第28天完成仰拱封閉，各測點壓力呈緩慢增大。二次襯砌模筑后，各測點壓力逐漸呈穩定狀態。

(4)從最終值應力分布圖來看，各觀測點的監控圍巖壓力最后測量值各部位差異較大，且左右側差異也較大，最大壓應力發生在左邊墻，達143.21 kPa，相反，在右邊墻呈拉應力，達15.1 kPa。這一定程度上與圍巖壓力的分別及左右側開挖步驟順序相關。

圖4 一次襯砌混凝土應力最終值 橫斷面分布圖(單位：kPa)

3.3 一次模筑混凝土襯砌應力測量與分析

當前一次襯砌常采用鋼拱架配合鋼筋網片噴射混凝土，本隧道因特殊地層結構采用一次襯砌模筑混凝土，而相關研究甚少，因此有必要對模筑混凝土的應變進行量測與系統分析。本研究針對ZK4+865.5斷面，在初期模筑混凝土襯砌鋼筋網中布設混凝土應變計，對襯砌內混凝土的受力情況進行量測。

4 結 論

(1)監控量測是隧道施工過程中不可缺少的組成成分，通過對監測量測數據的分析整理，可以實時掌握一次襯砌模筑混凝土后隧道圍巖與支護結構的受力情況。

(2)各監測點的位移量、圍巖壓力具有不對稱性，一次襯砌混凝土應力具有一定對稱性；測量值的變化反映出圍巖受力受隧道上、下臺階及仰拱的開挖影響較大；同時，打設超前支護、錨桿以及小導管注漿等加固措施對圍巖和支護受力也有一定的影響。

(3)通過長期對一次襯砌采用模筑混凝土應力變化的測量，得出其受開挖影響較大，尤其是拱頂和拱腰處混凝土應力在二襯模筑之前一直穩定增大，施工中應給予重視。

(4)具有濕陷性的蘭州南繞城某高速公路黃土隧道采用一次模筑混凝土襯砌施工方法時，擬選監測斷面隧道的圍巖條件并不會對整個隧道的施工、支護結構受力等造成較大的影響，工程所采用的施工組織設計和支護參數是可行的。

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[3] 周濟民. 水下盾構法隧道雙層襯砌結構力學特性[D].成都：西南交通大學，2012.

MonitoringandComprehensiveAnalysisinLargeSectionsofCollapsibleLoessALiningLoncreteTunnel

LIU Zi-yang，Li De-wu

(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

Through the lanzhou city south tunnel of an expressway on-site monitoring measurement, the deformation and contact pressure of surrounding rock is analyzed and a model of concrete stress, the strain state of surrounding rock on the spot and the reliability of the supporting conditions have a more scientific understanding. Research results for the site construction of the tunnel provides necessary basis, at the same time can also be used for future similar geological conditions in tunnel design and construction for reference.

double modulus of concrete; collapsible loess; monitoring measurement

U458.1

A

1008-3383(2017)09-0149-03

2017-03-11