富水強風化巖區域隧道變形規律現場測試分析

黨 丁

中交第一公路勘察設計研究院有限公司

1 引言

隧道穿越山嶺丘陵地帶，不可避免地從溝谷斜坡-低山地貌區經過。而溝谷附近通常有水或者人為水利結構，這給隧道的修建帶來了不小的麻煩，另外隧道穿越溝谷斜坡-低山地貌區時通常處于淺埋的狀態，上層覆土為雜填土，粉質黏土，強風化巖，透水性良好，故在此類隧道的修建過程需進行防范，防止強風化巖遇水失穩，以期對隧道結構造成的影響降低到最小。例如：安康某隧道處于千枚巖地層中，地表、地下水系發育，隧道開挖的過程中通過監控量測，時刻掌握圍巖變形信息，最終安全通過富水區域[1]。關于隧道穿越強風化巖層時隧道變形規律，國內外學者對此類問題的研究大多集中在理論分析、數值模擬、現場工程測試等研究手段。任文峰等依靠土工試驗并借助相關設備對寨子崗隧道圍巖變形及壓力、水平收斂、圍巖與初期支護間壓力、初期支護與二次襯砌間壓力進行了量測，揭示了富水全風化花崗巖地區隧道圍巖變形規律與力學特性。鄒翀等人依托興旺峁隧道富水全—強風化砂巖區段的施工實際工程，總結了施工過程中采用的關鍵技術。依托黃江1 號隧道穿越溝谷斜坡-低山地貌區實際工程，在隧道修建過程中通過監控量測探究富水強風化巖區域隧道變形規律，所得結論以期為隧道支護設計修正、優化和經驗積累提供參考。

2 工程概況

黃江1號隧道位于廣東省河源市龍川縣黃布鎮松陽村附近，為分離雙洞隧道，測設線間距約21.8m～29.5m，長度約550m，屬于中隧道。隧道位于溝谷斜坡-低山地貌區，右側存在兩個魚塘，隧道進出口端山坡坡度較陡，巖體風化嚴重，通過鉆孔揭示地層從上到下分別為：粉質黏土、碎石土、中-強風化巖體。隧道進出口段，隧道淺埋，圍巖主要為粉質黏土和全、強風化層中，局部中風化，土質松散，巖質軟，裂隙發育，巖石風化變質作用強，遇水易軟化，地形坡度和巖面坡度陡，自穩性差。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水量較小，雨季水量較大，開挖易變形坍塌，有滲漏水現象，應進行加固補強，及時做好支護和防排水工作。

3 監控量測布置

監控量測是新奧法三大要素之一，通過多年的工程實踐可知通過監控量測可以掌握圍巖的動態變化。當隧道開挖上臺階環形區域后，立鋼拱架時在拱頂、兩側拱肩位置洞周位移和拱頂下沉初支與圍巖間測點，噴射混凝土后，在初期支護上打設拱頂測點，其他測點及壓力盒在相關位置開挖后或支護結構施作后設置，圍巖形變及受力測點布置按設計依步驟布置。

4 監測結果分析

施工期間對多個布設斷面進行長時間的監控量測，取得了諸多數據，從最終變形量來看，圍巖失穩區域位于隧道進出口，從黃河一號左右線進出口選取典型斷面進行分析，左線進口ZK100+575、右線進口YK100+562、左線出口ZK101+100、右線出口YK101+110，探究富水強風化巖區域隧道變形規律。

4.1 洞周位移和拱頂下沉

在現場監控過程中，洞口淺埋段是監控的重點。根據監測數據分析，如圖1所示，監測時長較短時，左右線進出口拱頂累計沉降差距較小，隨著監測時長增加，黃江1號隧道左右線出口段拱頂累計沉降整體呈增長趨勢，左右線進出口累計沉降差距較大，到監測次數為23-27次時，左右線拱頂累計沉降值幾乎保持穩定，而且右線出口段拱頂下沉值相對較大，右線出口YK101+110拱頂下沉累積達到34mm，其次是右線進口YK100+562，拱頂下沉累積達到29mm。相較于右線進出口累計沉降值，左線進出口拱頂累計沉降較小，左線出口ZK101+100 拱頂下沉累積僅為7mm，左線進口ZK101+575 拱頂累積下沉值為14mm，故施工中應該加強對右線隧道監控量測。對隧道周邊收斂施工監測數據選取周邊收斂測線1進行分析，根據所選取的監測數據顯示，如圖1所示，黃江1號隧道右線出口YK101+110周邊累計收斂值最大，累計收斂值為21.1mm，而且左線進出口收斂明顯小于右線進出口，其中左線出口ZK101+100 累計收斂值僅為4.9mm。周邊收斂變形規律基本與拱頂下沉變形規律基本一致。結合監控數據及現場施工情況，隧道圍巖變形趨勢從快速發展到逐漸平穩，發展趨勢真實地反映了隧道實際的施工情況。拱頂下沉量主要集中在隧道每次開挖期間1-7d，從曲線發展歷程可知，拱頂下沉量除了在上臺階開挖時沉降量較大，在隧道下臺階及仰拱施工時會有小幅度的增長，仰拱閉合后變化趨于平穩并逐漸穩定。

究其原因，左右兩側洞口距離50m，巖性基本一致，強風化石英石巖，由于埋深較淺，地表雨水經常滲入洞室，對圍巖造成侵害。右線進口處有兩個人工魚塘，以及排水溝渠存在一定量的地表水，再加上右線隧道進出口開挖時掌子面存在滲水，全風化巖遇水軟化，導致圍巖穩定性變差。

4.2 初支與圍巖間壓力

從圍巖與初支接觸壓力監測情況可看出，初期支護與圍巖間接觸壓力一般分布不均勻，施工掘進對右線隧道的影響較小，隨著監測時長向前推移（即隨著掌子面向前施工掘進），圍巖與初支間壓力逐漸增加，并總體上趨于穩定。在掌子面距離監測斷面小于30m 時，土壓力增長迅速，超過30m 后壓力增長變緩，并逐漸趨于穩定。監測時間較短時，左線初期支護與圍巖壓力差別較小，隨著監測時長的增加，右線初期支護與圍巖壓力快速增加，而左右線增速較小，監測時長為25左右時，初期支護與圍巖壓力保持穩定，另外，通過拱頂、兩側拱肩位置上壓力盒數值比較，拱肩位置大壓力處于拱頂位置的壓力。因此選取左右進出口四個斷面右側拱肩位置的壓力時程曲線進行比較。如圖1所示：右線出口YK101+110初支與圍巖間壓力最終值最大，超過了0.7MPa，右線進口YK100+562初支與圍巖間壓力最終值也接近0.7MPa，但這兩個斷面的增長趨勢并不相同，這一定程度上歸結于圍巖的擾動。

4.3 初支二襯間應力

從斷面的監測結果可知，隨監測時長的增加，隧道左右線變化規律基本一致，監測時長較短時，左右線初支與二襯間壓力變化曲線基本上保持同一規律，右線初支與二襯間壓力較左線大，隨監測時長增加，左右線初支與二次襯砌間壓力逐漸增加，但增幅較初支與圍巖壓力增幅小，從斷面布設后約20天后監測數據開始趨于穩定。實測斷面數據顯示在右拱肩位置的初支混凝土應力相對較大。提取右拱肩位置初支二襯間壓力盒數值，可以發現，壓應力最大值為右線出口YK101+110，四個斷面壓應力大小關系與初支與圍巖間壓力大小關系一致，但是發展歷程不一樣，這一定程度上取決于施工的擾動。從數值上分析最大值約為0.16MPa，屬于正常收斂范圍。

圖1 監測斷面圍巖變形和應力變化累計曲線

5 結論與建議

（1）圍巖形變監測數據方面，黃江1號右線進出口段圍巖形變值相對較大，其中右線出口YK101+110 拱頂下沉累積達到34mm，從曲線發展歷程可知，拱頂下沉量除了在上臺階開挖時沉降量較大，在隧道下臺階及仰拱施工時會有小幅度的增長，仰拱閉合后變化趨于平穩并逐漸穩定。

（2）從圍巖與初支接觸壓力與初支二襯間應力分析可知，隧道處于正常收斂階段，拱肩位置處壓力大于拱頂位置的壓力，右線出口YK101+110 初支與圍巖間壓力最終值最大，但從壓應力發展歷程分析，發展歷程曲線不規律可歸咎于施工對圍巖的擾動。

（3）強風化石英石巖，由于埋深較淺，地表雨水經常滲入洞室，對圍巖造成侵害。強風化巖遇水軟化，對圍巖穩定性影響大。建議施工過程中注意排水，防止水侵入圍巖。在施工前注意做好降水工作，在掌子面滲水時，應做好超前水探測，如果掌子面存在太多水的情況，處治施作后注意注漿。