家竹箐隧道煤系地層段病害監(jiān)測(cè)措施★

胡子揚(yáng) 　 谷 宇 　 楊江坤 　 張 璐 　 韋 云 　 閆名卉

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定　071000)

中國(guó)是目前世界上隧道和地下工程數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國(guó)家，再加上由于隱蔽工程較多,難以及時(shí)監(jiān)測(cè)隧道截面的變形，破壞等危險(xiǎn)。在隧道的運(yùn)營(yíng)期間，如果不能及時(shí)的預(yù)測(cè)到隧道的變形，如襯砌開(kāi)裂，滲水等病害。這些病害逐漸積累，不僅降低了隧道結(jié)構(gòu)的安全性，耐久性及實(shí)用性，還會(huì)誘導(dǎo)其他危害，直接縮短隧道的使用壽命。

在實(shí)際施工中有許多監(jiān)控措施[1]來(lái)保證在施工期間的安全，及后期結(jié)構(gòu)的安全，但在現(xiàn)實(shí)中針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖隧道的運(yùn)營(yíng)期間，它的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)管理的方面的研究還較少。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)的安全對(duì)隧道的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要作用。

在隧道的運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生問(wèn)題，如襯砌剝落開(kāi)裂，掉塊等，這些因?yàn)樗淼纼?nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致的隱含危險(xiǎn)，將會(huì)導(dǎo)致在隧道中行駛車(chē)輛事故的發(fā)生，尤其是對(duì)于圍巖等級(jí)[2]不高的地帶，如存在高地應(yīng)力的圍巖，其在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)病害的幾率更大。在各種病害發(fā)生前，均會(huì)出現(xiàn)隧道微弱乃至大變形，本文便是主要針對(duì)病害發(fā)生前的隧道可能出現(xiàn)的微弱變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)在隧道病害發(fā)生前進(jìn)行治理，最大限度的減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

1　工程概況

家竹箐隧道[3]位于南昆鐵路北段，位于云貴高原貴州省盤(pán)縣內(nèi)，具有高瓦斯，高地應(yīng)力的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)，建造期間采取各種排放瓦斯，釋放和緩解及抵抗高地應(yīng)力的措施，最終在當(dāng)時(shí)惡劣的情況下建造完成。

1)隧道運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的病害：

隧道分別于2003年及2013年發(fā)生隧道病害。第一次為隧道襯砌開(kāi)裂，掉寬塊；此時(shí)分析原因?yàn)楦叩貞?yīng)力的積累，支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以繼續(xù)抵抗地應(yīng)力的發(fā)展，最終導(dǎo)致的病害發(fā)生；采取的措施為在裂縫上下各1.5 m的范圍內(nèi)噴混凝土加固，縫內(nèi)填充氣密性混凝土等措施加固襯砌結(jié)構(gòu)，并且注意防水的處理，經(jīng)過(guò)整治，病害得到控制，隧道繼續(xù)運(yùn)營(yíng)。隧道于2013年發(fā)生第二次病害，主要為開(kāi)裂，滲水，掉塊，并且有瓦斯涌出。發(fā)生的位置主要在支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱的階段，此時(shí)的原因即有圍巖應(yīng)力的發(fā)展，也存在因?yàn)槁┧畬?dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗能力下降。

2)機(jī)理分析：

根本上是高地應(yīng)力的發(fā)展，隧道開(kāi)挖后，因?yàn)樵试S發(fā)生大變形，圍巖應(yīng)力得到緩解，但是由于并沒(méi)有從根本上解決圍巖應(yīng)力的發(fā)展。在隧道建成后，由于襯砌結(jié)構(gòu)的支撐，襯砌結(jié)構(gòu)要保證小變形，自身的剛度大，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力不斷積累，最后導(dǎo)致高地應(yīng)力達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)極限。其次為圍巖等級(jí)較弱，圍巖情況較差，支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工時(shí)雖然達(dá)到了要求，但是隨著地應(yīng)力的發(fā)展，襯砌結(jié)構(gòu)不足以抵抗地應(yīng)力的發(fā)展；再加上在運(yùn)營(yíng)階段沒(méi)有良好的監(jiān)測(cè)手段，未能在病害發(fā)生前進(jìn)行整治與維護(hù)，最終導(dǎo)致了兩次危害的發(fā)生。由此可見(jiàn)，不同的工程問(wèn)題產(chǎn)生不同的變形形態(tài)和尺度，如能通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變形形態(tài)和尺度，及時(shí)的推斷出隧道可能發(fā)生的病害及發(fā)生病害最直接的原因，加以維護(hù)便可最大程度的減少損失；建設(shè)出一套基于不同病害產(chǎn)生的變形形態(tài)判定和尺度的度量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，以及動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很有必要。本文主要介紹動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)方案。

2　監(jiān)測(cè)手段

對(duì)于變形的監(jiān)測(cè)，我們可以采用激光測(cè)量，周期性測(cè)量隧道模型應(yīng)變變化，并對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，與初期模型對(duì)比，動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)二次襯砌結(jié)構(gòu)的微小形變，建立動(dòng)態(tài)模型。通過(guò)位移邊界條件確定應(yīng)力函數(shù)，推斷出圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，與其能抵抗的最大的高地應(yīng)力進(jìn)行比較，進(jìn)而由材料的性能判定是否會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大，開(kāi)裂，破壞等問(wèn)題，以便及時(shí)采取措施。

2.1　模型建立

在隧道洞口截面處二襯結(jié)構(gòu)可近似看作無(wú)上部荷載，僅受自身重力作用，見(jiàn)圖1。因應(yīng)變，徐變微小，故假設(shè)洞口截面處二襯結(jié)構(gòu)無(wú)變形，為初始截面α0，監(jiān)測(cè)周期為T(mén)，將T0時(shí)初始截面α0的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為收斂變形觀測(cè)依據(jù)。

2.2　絕對(duì)位移觀測(cè)點(diǎn)，初始觀測(cè)數(shù)據(jù)的建立

通過(guò)附近二級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)與附和水準(zhǔn)路線，在隧道洞口截面建立絕對(duì)位移觀測(cè)點(diǎn)H。在隧道左上點(diǎn)鋪設(shè)長(zhǎng)為整個(gè)隧道的軌道與高精度可移動(dòng)激光測(cè)距模塊，通過(guò)數(shù)個(gè)測(cè)量點(diǎn)并結(jié)合隧道設(shè)計(jì)時(shí)的形狀，建立T0時(shí)隧道初始截面的尺寸形狀α0。設(shè)隧道總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，監(jiān)測(cè)密度為ρ，截面數(shù)量為m，則每隔L/m截取一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；監(jiān)測(cè)模塊移動(dòng)到下一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在該斷面測(cè)量斷面尺寸并確定該斷面與上一斷面的相對(duì)位置，以此類(lèi)推，通過(guò)斷面確定隧道整體在T0時(shí)的位置與形狀尺寸，即為初始觀測(cè)數(shù)據(jù)M0,見(jiàn)圖2，將此作為應(yīng)變位移觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.3　各時(shí)期觀測(cè)數(shù)據(jù)Mn

每隔T對(duì)隧道進(jìn)行一次整體各斷面掃描，以同樣方式建立Tn時(shí)隧道的觀測(cè)數(shù)據(jù)Mn。

2.4　數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理

通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面Tn時(shí)的隧道動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)Mn，將數(shù)據(jù)Mn與初始數(shù)據(jù)M0對(duì)比微量應(yīng)變變形，發(fā)現(xiàn)Tn時(shí)隧道的應(yīng)變；由施工時(shí)埋設(shè)應(yīng)力計(jì)或應(yīng)力磚等得知T0時(shí)模型受的初始應(yīng)力，建立彈性力學(xué)模型，由已知位移變形條件，求解應(yīng)力函數(shù)；二襯結(jié)構(gòu)多為素混凝土或鋼筋混凝土，即可知材料應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，可得知隧道整體應(yīng)力狀態(tài)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)承載力集中，突變，不足等危險(xiǎn)截面位置，及時(shí)分析原因，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取維護(hù)措施。

3　維護(hù)措施

由案例我們可以得知，在建設(shè)隧道的時(shí)候，由于各種因素的存在，隧道時(shí)常會(huì)發(fā)生病害。而隧道各種病害問(wèn)題均會(huì)產(chǎn)生不同的隧道變形形式與尺度。它不僅嚴(yán)重影響了隧道的施工進(jìn)度，造成損失；一旦產(chǎn)生病害整治起來(lái)十分的棘手，不僅浪費(fèi)巨大的資金，而且同時(shí)會(huì)損失時(shí)間。所以對(duì)于隧道的動(dòng)態(tài)維護(hù)顯得尤為重要。監(jiān)控下及時(shí)的發(fā)現(xiàn)隧道可能產(chǎn)生的病害，未雨綢繆，加以維護(hù)。在近年以來(lái)，人們?cè)谒淼乐ёo(hù)的研究上也花費(fèi)了很大心血。

在惡劣的環(huán)境中，導(dǎo)致隧道病害的原因可以概括為兩點(diǎn)，第一，地應(yīng)力的發(fā)展，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足；第二，在施工期間襯砌結(jié)構(gòu)的防水措施做的不完善，出現(xiàn)漏水的情況，因?yàn)樗染哂懈g性物質(zhì)的存在，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的不足。針對(duì)后者可以采取滲漏水的措施補(bǔ)救，對(duì)于前者，運(yùn)營(yíng)中的隧道無(wú)法通過(guò)擴(kuò)大變形的手段來(lái)釋放，減緩高地應(yīng)力的特點(diǎn)，只能從圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度上來(lái)對(duì)隧道進(jìn)行維護(hù)。

首先利用錨桿對(duì)隧道的支護(hù)對(duì)隧道的大變形防止已經(jīng)得到了很大的成果[4]，但是由于錨桿對(duì)圍巖的依賴(lài)性較高，而且錨桿的支護(hù)具有本身的局限性。例如：在一些巖體發(fā)育的地段，錨桿無(wú)法發(fā)揮自身的支護(hù)作用，此時(shí)的錨桿很難和隧道內(nèi)的巖體形成整體，從而起不到有效的支護(hù)作用，而且容易形成局部承壓，造成危害加大。

因此，在近年來(lái)的隧道支護(hù)中，不僅采用錨桿支護(hù)，同時(shí)采用設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索[5]對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨索不依賴(lài)于圍巖強(qiáng)度，主要利用其較高的預(yù)拉力，不僅能使巖塊間的裂隙更好的閉合，提高了巖體內(nèi)部的摩擦力，而且可使圍巖應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，三向受力狀態(tài)下的巖體的強(qiáng)度得到更好的提高，從而提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。在這些方面，錨索的支護(hù)可以彌補(bǔ)錨桿在隧道大變形支護(hù)上的局限性，從而可以更好的維護(hù)隧道的運(yùn)營(yíng)。

預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的主要機(jī)理是鋼絞線具有較高的抗拉能力，把預(yù)應(yīng)力錨索打入隧道周?chē)鷥?nèi)的巖體內(nèi)部，利用較高的預(yù)拉力使圍巖處于三向受力狀態(tài)，使巖體得到加固，從而控制隧道的收斂位移，減小隧道的變形。

預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)隧道大變形的維護(hù)主要在以下三個(gè)方面起作用：

1)對(duì)松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)的巖體有加固的作用。可以在錨索和需要支護(hù)的各個(gè)巖層形成一個(gè)組合梁的結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)了其整體性，使圍巖的強(qiáng)度得到提升。

2)可以有效的改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，避免了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而削弱隧道的大變形問(wèn)題。

3)在一定程度上可以提高圍巖的性能，維持圍巖穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，在支護(hù)機(jī)理上預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)隧道的支護(hù)作用有很大的優(yōu)越性，在最大限度上可以減少隧道事故所引起的損失。所以，在結(jié)合動(dòng)態(tài)的隧道監(jiān)測(cè)措施之后，當(dāng)有問(wèn)題的時(shí)候人員可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，之后加以用錨索和錨桿的綜合支護(hù)手段，可以在一定程度上較好的處理隧道的大變形問(wèn)題，避免工程問(wèn)題。

4　結(jié)語(yǔ)

隧道在我國(guó)交通中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因而在隧道運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題處理手段也顯得十分重要。本文將隧道中產(chǎn)生的病害歸結(jié)到變形問(wèn)題，并提出了較好的動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段和支護(hù)手段，建立了模型并且提出一套較為完整的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案。

完善相關(guān)監(jiān)測(cè)措施與軟件，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求，結(jié)合信息技術(shù)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)建立大型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)管理措施，實(shí)現(xiàn)資源共享，在全國(guó)進(jìn)行推廣運(yùn)用，將有效的預(yù)防和減少由于隧道結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和裂損導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失。

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