分析監控量測在軟巖大變形隧道中的應用

吳佳欣，陳彥

（甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司，蘭州730000）

1 引言

從大量的工程經驗中分析可知，應用新奧法進行隧道工程建設施工，制定出科學合理的監控量測機制，準確測定變形尺寸，可以有效防止因圍巖變形嚴重而引發的安全隱患，更好地提升隧道結構的安全性與穩定性。目前，在鐵路隧道工程項目施工中，復合襯砌施工是非常關鍵的一項技術，采取有效措施進行現場監控量測并且掌握圍巖和支護結構的變化情況，按照相應的技術標準展開分析和研究，從而可以確定未進行開挖施工的巖體結構穩定性和變形量是否達標，以便于根據工程實際情況做出方案調整，可以全面提升施工的安全性和穩定性，保證工程質量。

2 中老鐵路會富萊隧道工程概況

中老鐵路會富萊隧道總設計長度為6 968m，出口378m，設計為車站雙線路部分，其他結構位置則為單線段部分，隧道分進口、橫洞、新增斜井、斜井及出口5個工區組織施工。隧道位于瑯勃拉邦縫合帶北邊界，地質構造極其復雜，變形段位于會富萊1號斷層與普巴道山斷層銳角挾持地帶。隧道穿越地層巖性以薄層狀板巖夾炭質板巖為主，屬軟質巖，巖層受多期構造運動影響，擠壓斷裂極為嚴重，產狀十分紊亂，圍巖整體表現出結構疏松、強度極低等特點。參照國內類似工程判識標準，巖體強度與地應力比達到中等，嚴重到變形程度。按照掌子面的坍塌和初期支護混凝土結構部分的開裂脫落等情況，確定該地段的圍巖結構穩定性較差，不能滿足承載性能的需要。設計不良地質為巖溶、斷層破碎帶、巖爆及軟巖大變形及有害氣體等，結構容易發生變形、塌方等問題，隧道Ⅲ級圍巖采用全斷面爆破開挖，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖主要采用臺階法爆破開挖，其中會富萊隧道進口采用非爆破開挖。目前，會福萊隧道進口掌子面已通過會富萊1#斷層（D2K130+040），正在進入普巴道山斷層（D2K130+400），D2K130+230～+359施工過程中發生軟巖大變形。為了能夠達到施工及使用安全的要求，應該在施工中加強對于圍巖和支護結構部分的位移尺寸檢測，實現全過程的動態數據測量，以便更好地指導后續施工，為提升工程結構的整體性能奠定有利的基礎。

3 位移監控量測

為了能夠充分地了解圍巖支護的實際情況，了解圍巖支護變形情況，確定最終穩定時間，優化各個施工環節，應嚴格按照國家標準和行業規范要求，制定軟巖變形嚴重部分的具體監控量測實施方案，進行可以掌握其受力變形的狀態，規范準確地分析巖層穩定性和支護性能。本工程中的監測斷面分布狀況如圖1所示。

圖1 監測斷面布置圖

根據本次工程中所選定的D2K130+260、D2K130+265、D2K130+300 3個監測斷面，可以獲得拱頂下沉-時間曲線和周邊收斂-時間曲線，具體數據對比曲線如圖2所示。

1）D2K130+260預留變形量為25cm，采用I18型鋼支護。拱頂（GD）累計沉降294.2mm，上臺階（SL1）累計收斂403.23mm，下臺階（SL2）累計收斂144.16mm。

2）D2K130+265預留變形量為40cm，采用I18型鋼支護。拱頂（GD）累計沉降314.6mm，上臺階（SL1）累計收斂459.83mm，下臺階（SL2）累計收斂341.08mm。

3）D2K130+300預留變形量上臺階為65cm，下臺階為60cm，采用H175型鋼支護。拱頂（GD）累計沉降175.5mm，上臺階（SL1）累計收斂162.95mm，下臺階（SL2）累計收斂456.84mm。

圖2 3個監測斷面拱頂下沉-時間曲線

分析數據可知，該隧道的3個斷面拱頂下沉曲線的變化狀態較大，在采用I18型工字鋼支護措施下，可以分成如下的幾個變化階段:掌子面結構部分開挖施工0～10d，拱頂沉降趨于穩定，上臺階收斂變形較大，這是因為該地段軟巖變形較為明顯，存在的應力釋放比較大，錨桿與噴射混凝土結構部分并不完全達到支撐的需要，不能有效地控制變形【1】；掌子面在開挖進入到10～19d，下沉的速度有所減緩，整體的沉降趨勢有所減緩，但收斂仍然較大，這是因為初期支護結構部分已經可以達到必要的支撐要求，能夠有效地抵抗變形，但因為兩側收斂壓力在逐步增大，導致初期支護部分在逐漸損壞，造成有些部分裂縫與掉塊脫落的問題較為嚴重；在掌子面結構開挖施工進入到20d之后，拱頂沉降基本上就能夠達到穩定性的要求，達到該現象主要是因為掌子面位置上的圍巖進行全部封閉，并且與掌子面距離相近的位置上存在臨空的情況，因為持續的擠壓而造成變形較為嚴重，該環節中的沉降量相對較小，但其合計沉降尺寸為294mm、314mm，全部都在200mm以上，這就說明整個初期支護完全都進入到二次襯砌結構中，并且整個初期結構完全變形，掌子面坍塌較為嚴重，已經出現嚴重的安全隱患。而當采用了H175型鋼之后，沉降收斂都得到了較大控制，拱頂沉降與上臺階收斂變形均控制在200mm以內，而開挖下臺階后，收斂在0～10d有較大變化，10d之后趨于穩定，可有效控制軟巖大變形的發展【2】。

4 控制軟巖大變形措施

從隧道掌子面周邊的3個斷面數據進行分析，能夠發現軟巖部分的變形量過大的情況下，其合計變形量已經完全超出了預留變形量尺寸，同時，也存在變形速度過快且時間比較長等問題。還能夠分析確定，軟巖隧道嚴重變形主要是因為圍巖的松散度比較大，進而導致在地應力較高的情況下使得初期支護結構遭到損壞，進而造成了掌子面存在嚴重脫落的情況。要從以下幾點進行控制:

1）巖體風化相對比較廣大、節理裂隙發育比較嚴重，結構面的組合性能比較差，在地下水的影響下結構穩定性下降，進而導致了塌方問題的出現，應該采取提前支護的方式進行處理，可以適當增加錨桿長度尺寸，以提升支護效果，同時應該避免對周邊巖體產生的不利影響。

2）圍巖穩定性較差，開挖施工之后要即刻進行初期支護施工，避免圍巖暴露時間過長，同時要消除支護不及時而導致的穩定性較差的情況，所以，要及時進行仰拱施工，形成封閉的結構。

3）選擇合適的二次襯砌施工時機，能夠消除部分圍巖變形，然后進行數據監測，圍巖在初支的20d時拱頂下沉可以達到穩定性的要求，周邊收斂速度在達到0～1mm/d的情況下就可以進行變形控制，以提升初期支護結構的性能。

4）現場已采取的措施：

（1）將爆破開挖調整為非爆破開挖，從D2K130+296.6采用銑挖機開挖，減小對圍巖的擾動。

（2）三臺階快速封閉施工，上下臺階距離不超過6m，初支封閉成環距掌子面里程控制在15m以內。通過監控量測數據分析，適當調整預留變形量30～60cm。

（3）短錨桿在初支噴混凝土后及時施作，控制圍巖初期變形；長錨桿在開挖斷面滿足長錨桿施作空間的情況下及時施作。對于支護變形不協調，現場適當調整長錨桿施作部位局部補強，對變形較大的部位適當增加，變形較小的部位可適當減少。

（4）根據沉降的變形速率，暫停掌子面掘進，增加臨時支撐，采用快速注漿工藝，注漿加固。

（5）加強支護型鋼，由I18工作調整為H175型鋼；臺階鋼架接頭處增設縱向連接工字鋼（I14）；增設雙層縱向連接筋；鋼架所有連接板采用三面滿焊，加強鋼架整體性。

優化后施工情況：D2K130+437～+452預留變形量為40cm，采用H175型鋼支護。變形典型斷面為D2K130+445，如圖3所示。拱頂（GD）累計沉降147.7mm，上臺階（SL1）累計收斂210.34mm，下臺階（SL2）累計收斂269.47mm。封閉成環時間一般8～12d。

圖3 D2K130+445沉降收斂觀察數據折線圖

5 應力、應變監控量測

經過在施工中對D2K130+260、D2K130+265斷面位置上的應力應變-時間曲線關系圖分析發現，二襯在初支19d施工之后，可以采取有效的措施來嚴格控制其變形量，同時在初期支護的過程中，其壓力參數、混凝土應變值、鋼筋應力參數出現快速上升的情況，這就表示整個部分的圍巖加固施工可以有效地分擔初支的部分壓力，能夠有效地控制結構變形問題，隨著混凝土材料齡期的延長，二襯結構逐步達到強度的要求，可以保證結構更加穩定。在整個結構部分的施工中，二襯施工在20d左右的情況下會表現得更加穩定，則表示整個圍巖開挖施工的有效支護30d左右可以保持穩定性，以避免存在嚴重的變形問題，但需要進行嚴格的應力、應變數據監測，以便于及時做出調整，以更好地滿足工程結構性能的要求。

6 結語

通過對隧道工程結構中的軟巖變形較大部位的豎控量測，可以得出如下結論:

1）隧道結構部分的圍巖性能相對較差，結構穩定性不足，從而使得開挖之后的拱頂存在嚴重變形的情況，經過監控量測后可以確定，3個斷面的沉降數據可以達到294mm、314mm，超出預計尺寸200mm，同時，在掌子面位置上還存在持續變形的問題，所以應該采取措施進行加固處理，以消除變形的問題。在采用了H175型鋼，增加了相應措施后，沉降收斂都得到了較大控制，拱頂沉降與上臺階收斂變形均控制在210mm以內，下臺階收斂在270mm以內并趨于穩定，可以有效控制軟巖大變形的發展。

2）對監控量測結果進行準確分析可以發現，在收斂速率保持在19d時趨于0～1mm/d，此時可以進行二襯施工，能夠有效地分擔支護壓力，可以避免初支沉降，從而可以使得整體結構穩定性更強。