小間距大斷面公路隧道長距穿越變余泥質板巖區結構力學特性試驗研究

劉鋼

（中鐵北京工程局集團第一工程有限公司，陜西渭南714000）

1 緒論

隨著經濟的發展，我國基礎建設也得到迅猛的發展，高速鐵路和高速公路的不斷聯通，城市交通網進一步加密。為保證行車條件和線路的平順，線路工程中的橋隧比不斷攀升。眾所周知，隧道所經歷的區域地形和地質情況復雜多變，給隧道施工帶來了不少的安全隱患。針對在板巖地區修建隧道，劉高等[1]通過研究木寨嶺隧道大變形現象，指出該隧道的大變形是圍巖巖性、地下水、地應力綜合作用的結果。葉康慨[2]以木寨嶺隧道大坪有軌斜井為對象，研究了板巖產生大變形現象及處理對策。鄒猻等[3]通過木寨嶺隧道7舟斜井中控制板巖大變形的實驗對比，認為超前大鉆孔法與超前導洞法都能起到一定的控制變形的作用。王運金[4]結合武吉高速公路九嶺山隧道中弱風化板巖的塌方現象，提出了板巖隧道塌方治理措施?？v觀這些研究成果，主要是針對板巖的巖性特征，而以分離式小間距的大斷面隧道施工期的結構受力特征的研究鮮見報道，因此，本文以分離式小間距公路隧道長距穿越變余泥質板巖區為對象，研究并分析隧道施工過程中支護結構受力變化特性及圍巖變形特征，為隧道安全快速穿越變余泥質板巖區提供理論支持。

2 工程背景

2.1 工程概況

各竜隧道橫穿羊圈溝與各竜溝交匯地帶山體，隧道采用分離式設計，其中左線進口里程ZK253+310，出口里程ZK255+795，全長2485m；右線進口里程K253+305，出口里程K255+790，全長2485m。洞身最大埋深約192.4m。隧道進口采用削竹式，出口采用端墻式。隧道洞身主要穿越三疊系（T2）地層，巖性為強—中風化板巖：變余泥質（砂質）結構,層狀構造。節理裂隙極發育，膠結程度很差，巖體破碎。

2.2 工程特征

各竜隧道圍巖在施工過程中，特別是軟弱圍巖地段，出現不同程度的變形和侵限，較大的變形主要集中在拱肩和拱腳部位，經過現場測量觀察，最大變形處為起拱線以下連接板處，變形量平均為60～80cm，導致起拱線以下連接板處欠10～30cm。為了查找圍巖大變形產生的原因，確保后續隧道施工安全經濟。西安建筑科技大學隧道研究所受渭武高速10標項目經理部委托對隧道圍巖大變形進行試驗研究，以此研究發現隧道圍巖大變形的機理和應對措施。

2.3 研究目的

以各竜隧道現場試驗，查明渭武高速10標各竜隧道圍巖大變形的部位和數量；采集圍巖及襯砌結構內部應力等相關數據，為判斷圍巖大變形的成因分析提供必要的數據支持。以采集得到的室內外試驗數據，初步分析各竜隧道圍巖大變形的分布規律，為進一步研究分析圍巖大變形機理提供必要的數據支持。

3 現場試驗監測方法

為保證現場各竜隧道施工不受干擾和海量數據的遠程采集，本文采用無線自動化監測手段對各竜隧道施工期圍巖變形、結構受力等信息進行采集。

（1）監測設備。針對各竜隧道工程，本文采用一套基于遠程自動化監測物聯網系統，該系統采用先進的無線傳輸技術和云服務技術，將B/S技術和C/S技術相結合，實現了傳統監測與互聯網、物聯網融合，突破了數據傳輸空間限制。該產品可以實現高頻率數據采集，并通過電腦等終端的IE瀏覽器，隨時隨地對監測信息查詢。該采集系統具有很高的性價比，可替代大多數土木工程的傳統人工監測。該系統可以實現傳感器數據遠程自動化采集，并將數據服務器平臺發布，實現WEB和移動客戶端實時查詢，并對監測到的超限數據及時發布報警信息。其具有：（1）自動采集云服務；（2）遠程實時監控；（3）WEB平臺及移動客戶端APP查看；（4）短信報警功能；（5）低成本、高精度、組網方便。

（2）現場監測點布置。為了更好地分析和研判隧道圍巖的變形機理，本文擬在ZK253+8m斷面布設應力、位移等傳感元件，斷面的測點布置如圖1所示?？紤]到現場施工環境的復雜性，監測斷面的選擇和應力元件的安設具體位置將根據現場實際狀況做出適當調整。

圖1 典型斷面測點布置示意圖

測點布置說明：①初次襯砌土壓力計共計8個，其表示方式為：Y1-1、Y2-1、Y3-1、Y4-1、Y5-1、Y6-1、Y7-1、Y8-1；②二次襯砌土壓力計共計8個，其表示方式為：Y1-2、Y2-2、Y3-2、Y4-2、Y5-2、Y6-2、Y7-2、Y8-2；③安置在拱架上的鋼筋計共計8個，其表示方式為：G-1、G-2、G-3、G-4、G-5、G-6、G-7、G-8；④在拱頂、拱肩和拱腳處各安裝一個位移計共計3個，其表示方式為：W1、W2、W3；⑤在拱頂、拱肩和拱腳處各安裝一個錨桿測力計共計3個，其表示方式為：M-1、M-2、M-3。

4 數據分析

4.1 錨桿軸力分析

ZK253+800斷面左、右拱腳錨桿軸力時程變化曲線分別如圖2和圖3所示，由圖2、圖3可知，靠近山體一側（左拱腳）的錨桿受力較大，且錨桿上第一個測點（M1-3-1），也就是接近圍巖臨空面處的受力最大，且為拉力，其最大值達到了385.71kN，整體來看，3個測點都表現出了先增加后減小,最終趨于穩定。從圖上還可以看出，本斷面下臺階開挖后，其受力會有一個比較大的突變，這是由于下臺階開挖后，約束被解除后，邊墻未能及時實施支撐所致，當仰拱施工完畢，在閉合環的作用下其受力狀態逐漸趨于穩定。圖3中錨桿整體受力較圖2小。

圖2 ZK253+800斷面左拱腳錨桿軸力時程曲線

圖3 ZK253+800斷面右拱腳錨桿桿軸力時程曲線

4.2 初支與二襯圍巖壓力分析

4.2.1 初期支護圍巖壓力分析

從初期支護圍巖壓力分布圖（圖4）可知，在隧道拱部區域結構受力較大，最大值出現在拱頂，其為1368.48kPa，隧道右側結構的圍巖壓力明顯大于其左側2倍還要多，右側拱腳處的圍巖壓力競超出左側15左右，這些數據足以說明了施工現場隧道拱部和右側拱腳附近區域內首先發生大變形的原因，從地質分布和地形來看，由于隧道設計為分離式小間距隧道，隧道右側部分為山體，左側為另一洞室，造成了結構近似單壓的受力狀態，故此，隧道右側力學特征值較大。建議在后續設計中應加強隧道外側邊墻結構尺寸。

圖4 初期支護圍巖壓力分布（kPa）

4.2.2 仰拱圍巖壓力分析

圖5為測量斷面仰拱處圍巖壓力時程曲線，由圖5可看出,仰拱中部和右側下面的土壓力盒受力比較大，這一點也可在圖4中得到驗證，說明此處受力較為異常，應在后續施工中加強必要的施工措施。仰拱土壓力盒也表現出先增大后逐漸趨于穩定的規律。仰拱在提高邊墻抵抗變形能力以及保持隧道結構的長期穩定方面,依然有著不可替代的作用,盡早施作仰拱，加快支護結構封閉成環，這對于控制圍巖變形有極大的意義。

圖5 ZK253+800斷面仰拱各測點壓力時程曲線

圖6為測量斷面二襯結構圍巖壓力時程曲線，從圖6中可知，襯砌拱頂處受力最小，拱腰受力相對較大，其分布形態呈明顯的馬鞍形分布，這較符合隧道結構受力特性。但考慮到二襯主要作為安全儲備使用，不應承受很大的力，但本次監測數據顯示二襯拱腰受力相對較大，可推斷為初期支護未能完全抑制住圍巖的大變形，致使二襯也承受了較大的荷載，這與上述結論也較為一致。

圖6 二襯結構各測點圍巖壓力時程曲線

4.3 巖體深層位移分析

圖7為測量斷面圍巖內部位移時程曲線，從圖7中可以看出ZK253+800斷面左側拱腳部位位移變化的趨勢，前8d位移變形量增速較快，前5d基本處于線性增長，之后增速有所下降，到第8d位移增加速率又突然加大，結合現場施工，這是由于該斷面下臺階開挖導致，其之后位移量緩慢增加，變形速率較緩，最終穩定后的位移最大值為151.68mm。

圖7 圍巖內部位移時程曲線

5 結論

本文結合實際工程，應用自動化監測手段完成了隧道施工期間的圍巖變形和結構受力特性的數據采集，實現了對現場施工零干擾的數據采集工作，并應用數據分析得到了以下結論：

（1）本文應用自動化數據采集與遠程控制系統，順利地完成了大斷面公路

隧道施工期間海量數據的采集工作，并實現了對現場施工的零干擾；

（2）由本文數據分析和現場施工可知，施工現場隧道拱部和右側拱腳附近區域內首先發生大變形的原因。從地質分布和地形來看，由于隧道設計為分離式小間距隧道，隧道右側部分為山體，左側為另一洞室，造成了結構近似單壓的受力狀態，建議在后續設計中應加強隧道外側邊墻結構尺寸；

（3）仰拱中部和右側下面的土壓力盒受力比較大，說明此處受力較為異常，應在后續施工中加強必要的施工措施；

（4）襯砌拱頂處受力最小，拱腰受力相對較大，其分布形態呈明顯的馬鞍形分布，這較符合隧道結構受力特性。但考慮到二襯主要作為安全儲備使用，不應承受很大的力，但本次監測數據顯示二襯拱腰受力相對較大，可推斷為初期支護未能完全抑制住圍巖的大變形，致使二襯也承受了較大的荷載；

（5）隧道圍巖變形發展較快，累計變形量較大，建議施工期間加強圍巖監控量測，必要時加強結構支護參數，仰拱緊跟。

[1]劉高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24（z2）：5521-5526.

[2]葉康慨.木寨嶺隧道火坪有軌斜井施：IJ大變形段分析及處理技術[J].隧道建設，2010，30（2）：190-194.

[3]鄒猻，王超朋，張文新.蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質板巖段應力控制試驗研究[J].隧道建設，2010，30（2）：121-124.

[4]王運金.九嶺山隧道塌方治理及塌方治理效果檢測[J].現代隧道技術，2008，45（6）：82-86.