穿越斷層破碎帶公路隧道現場監測與分析

陶建軍　 陳 浩 　孫振華,　 陳 航 　袁霈龍

(1.紹興交通投資集團有限公司，浙江 紹興　312000；　2.長安大學公路學院，陜西 西安　710064；3.中鐵隧道局集團有限公司杭州公司，浙江 杭州　310030；　4.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安　710065)

斷層破碎帶是隧道施工過程中最為常見的不良地質情況，同時斷層破碎帶也是隧道圍巖最不穩定的區域之一[1-3]。斷層破碎帶在隧道開挖過程中存在圍巖強度低、圍巖變形大、透水性強與圍巖受力復雜等特性，這些往往都是造成隧道圍巖失穩變形的關鍵因素。因此，對斷層破碎帶中隧道圍巖的受力與變形進行研究就顯得極為重要。目前國內外對斷層破碎帶隧道施工進行了大量的研究，在斷層破碎帶中隧道的施工技術方面積累了一定的經驗[4-10]。其中，采用現場監測技術研究隧道圍巖在斷層破碎帶中的受力變形是最為直觀可靠的研究手段。

本文以新建杭紹臺高速公路高湖頭隧道為依托，選取典型斷面埋設監測元件對隧道穿越斷層破碎帶時圍巖變形與支護受力進行現場監控量測，分析研究隧道支護結構在斷層破碎帶中的受力與變形特征，評價支護效果，并將監測結果反饋到隧道施工過程中。

1　依托工程概況

杭紹臺高速公路高湖頭隧道位于浙江省紹興市嵊州盆地北緣，是一條左右分離的雙向四車道特長隧道，左洞長4 095 m，右洞長4 110 m，隧道最大埋深約448 m。隧道進出口段圍巖主要為白堊系下統朝川組的凝灰質粉砂巖、凝灰質砂巖，洞身段圍巖主要為白堊系下統西山頭組的晶屑凝灰巖。

隧道受麗水—余姚深斷裂的作用，隧址區內斷層和節理發育，揭露有7條斷層，都與路線大角度斜交。斷層帶內巖石受構造作用強烈，呈碎石土狀～碎裂狀不等，巖石硅化，構造角礫巖化，巖石完整性差。溝谷及構造發育處及附近節理裂隙貫通性較好，滲透性較大，水文地質條件較為復雜，地下水較為豐富。

隧道采用新奧法開挖，初期支護采用25 cm厚的C25噴射混凝土與3.5 m長的φ25先錨后灌式注漿錨桿，并輔以A6鋼筋網與18號工字鋼；二次襯砌采用45 cm厚C30模筑混凝土。

2　現場監控量測

選取隧道右洞YK62+110為監測量測的斷面，根據地勘資料可知，該斷面為隧道穿越F9斷層破碎帶的一個典型斷面。

2.1　監測項目

此次隧道穿越斷層破碎帶施工監控量測項目有拱頂沉降、周邊收斂、圍巖壓力、圍巖與二襯之間的接觸應力與初支混凝土應力5項，系統開展的支護結構受力具體如表1所示。

表1　高湖頭隧道支護結構受力監測項目及頻率

2.2　測點布置

2.2.1拱頂沉降與周邊收斂測點布置

根據《高湖頭隧道監控量測方案》，拱頂沉降與周邊收斂點具體埋設如圖1所示，其中1號點埋設在拱頂，用于測試拱頂沉降；2號、3號點埋設于同一水平線上。

2.2.2支護結構受力監測點布置

支護結構受力監測點布置如圖2所示，分別在隧道拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳與拱底布設8個點，圖3為現場埋設測量元件圖。

3　監測結果分析

3.1　圍巖位移

圖4為拱頂沉降與周邊收斂位移圖，從圖4中可以看出：

隧道拱頂沉降可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段；周邊收斂可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段。上臺階開挖后，隧道洞內凈空位移迅速發展，拱頂沉降的增長速率要高于周邊收斂；拱頂沉降與周邊收斂分別在第10天與第8天進入了緩慢增長的階段；當隧道左下臺階開挖時，拱頂沉降又急劇增大，而周邊收斂速率基本不變，說明左下臺階開挖對隧道拱頂沉降有較大的影響，對周邊收斂幾乎無影響；隧道右下臺階開挖與仰拱回填對隧道凈空位移的影響不大；此后隧道凈空位移基本進入了穩定階段，增長速率基本為0，隧道圍巖達到穩定狀態。該斷面最終的拱頂沉降為18.2 mm，周邊收斂為11 mm。

隧道拱頂沉降在急劇增長階段已完成了最終位移的68.69%，周邊收斂在急劇增長階段已完成了最終位移的81.82%。而隧道在仰拱回填后的凈空位移已完成了最終位移的95.6%與99.1%。由此可知隧道開挖后應盡快完成初支支護，以控制圍巖早期變形發展過快。

3.2　圍巖壓力

圖5，圖6為圍巖壓力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖5，圖6中可以發現，圍巖壓力隨時間大致可以分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段。隧道拱頂圍巖壓力最大，達到304 kPa，斷層破碎帶中拱頂圍巖巖性較差，在洞頂處產生較大的豎向位移，并給拱頂初支帶來了較為明顯的圍巖壓力；右拱肩處圍巖壓力要大于左拱肩，具有明顯的偏壓現象，這是因為斷層破碎帶與隧道斜交，左右側圍巖巖性有較大區別；其他部位圍巖壓力較小。

3.3　初支與二襯接觸應力

圖7,圖8為接觸應力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖7，圖8中可以發現，隧道初支與二襯的接觸應力一般都分為急劇變化階段—緩慢變化階段—穩定階段。隧道各個部位接觸應力都在第15天～第16天達到穩定狀態。接觸應力在空間分布呈現三角形，拱頂與左右拱腳接觸應力較大，這是因為隧道拱腳處二次襯砌混凝土相對拱部來說澆筑的較為密實，且隧道在拱腳處容易出現應力集中，所以呈現出拱部小拱腳大的分布。隧道拱部處二襯承擔的圍巖壓力比例較小，這些部位的二襯受力較為理想，可以作為安全儲備來考慮；隧道拱腰以下二襯承擔圍巖壓力約在20%～50%，這跟二襯混凝土施工方式與隧道拱腳處應力集中有一定的關系。

3.4　初支混凝土應力

圖9，圖10為初支混凝土應力隨時間變化曲線圖與空間分布圖。

從圖9，圖10中可以發現，初支混凝土應力隨時間變化一般具有4個階段，首先是噴射混凝土剛施工時應力隨混凝土強度增大而急劇增長的階段，在該階段噴射混凝土強度與剛度迅速增大，開始大量承擔圍巖荷載，說明了初期支護噴射混凝土在隧道開挖后能夠及時提供支持作用；其次是緩慢增長的階段；再次是二襯施工后跳躍式的增長，這是因為二襯施工對初期混凝土有擾動；最后是二襯混凝土開始分擔圍巖荷載，初支混凝土應力緩慢回落直至穩定的階段。

隧道各部位初支混凝土應力最終值都處于受壓狀態，且都沒有超過C25混凝土的極限抗壓強度，處于較為安全合理的受力狀態。最大混凝土應力出現在拱頂處，為9.92 MPa。該斷面初支混凝土應力空間分布與圍巖壓力空間分布較為接近，說明了各部位的噴射混凝土與圍巖緊密相貼，都發揮了各自的強度來承擔荷載。

4　結語

1)隧道的拱頂沉降可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段；周邊收斂可分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段。隧道在斷層破碎帶中施工時，由于斷層破碎帶中巖性較差，隧道上臺階開挖后，隧道斷面凈空位移進入急劇增長階段，在該階段產生的位移占了總位移的69%左右，所以在隧道開挖后要及時進行支護，穩定圍巖，并應及早施工仰拱，使支護結構封閉成環。

2)圍巖壓力隨時間大致可以分為急劇增長階段—緩慢增長階段—穩定階段；最大圍巖壓力出現在隧道拱頂處；由于隧道與斷層破碎帶斜交，在斷層破碎帶與巖性交界處隧道圍巖壓力都出現偏壓的現象，右側圍巖壓力大于左側，說明右側圍巖更為破碎軟弱。

3)隧道初支與二襯的接觸應力隨時間大致分為急劇變化階段—緩慢變化階段—穩定階段。接觸應力在空間分布呈現三角形，拱頂與左右拱腳接觸應力較大，這是因為隧道拱腳處二次襯砌混凝土相對拱部來說澆筑的較為密實，且隧道在拱腳處容易出現應力集中。由于隧道與斷層破碎帶斜交，隧道右側接觸應力要大于左側，呈現出一定的偏壓現象，其接觸應力分布特征與圍巖壓力相類似。隧道拱部處二襯承擔的圍巖壓力比例較小，這些部位的二襯受力較為理想，可以作為安全儲備來考慮。

4)初支混凝土應力隨時間變化一般具有4個階段，即急劇增長階段—緩慢增長階段—二襯施工突變階段—緩慢回落直至穩定階段。隧道各部位初支混凝土應力最終值都處于受壓狀態，且都沒有超過C25混凝土的極限抗壓強度，處于較為安全合理的受力狀態。初支混凝土應力空間分布與圍巖壓力空間分布較為接近，說明了各部位的噴射混凝土與圍巖緊密相貼，都發揮了各自的強度來承擔荷載。

5)從現場監測數據來看，隧道支護在斷層破碎帶中的變形與受力處于一個相對安全的狀態，說明斷層破碎帶中隧道支護結構的強度已經足夠，但在隧道上臺階開挖后必須立即緊跟支護，及時封閉圍巖，尤其是對隧道拱頂部位，一定要加強支護參數與監測頻率，以防拱頂處圍巖出現較大的變形而出現施工災害。