監(jiān)控量測(cè)在大斷面隧道圍巖破碎段的應(yīng)用

趙 飛 (中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

1 工程概況

奉節(jié)隧道位于重慶市奉節(jié)縣朱衣鎮(zhèn)境內(nèi)，正洞全長(zhǎng)13.48km，最大埋深656m。隧道設(shè)計(jì)縱坡為9‰、20‰、-4.6‰的人字坡.因隧道正洞出口不具備作業(yè)條件，全隧共設(shè)有1個(gè)正洞進(jìn)口工作面和4個(gè)斜井工作面。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，進(jìn)口圍巖較差，存在順層偏壓、巖溶弱發(fā)育、圍巖易變形、自穩(wěn)性極差，另有部分段落通過(guò)須家河組砂巖、巴東組泥巖、珍珠沖組煤系地層，按照低瓦斯隧道管理。

奉節(jié)隧道為客運(yùn)專線雙線隧道，采用CRTS-I型雙塊式無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，隧道建筑限界、襯砌內(nèi)輪廓及基本尺寸執(zhí)行《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）規(guī)定[1]。

奉節(jié)隧道進(jìn)口DK721+990～DK722+036段穿越三疊系中統(tǒng)巴東組二段，地層含石膏，水系發(fā)育，地下水SO42對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有侵蝕性，且?guī)r層單斜，巖層產(chǎn)狀N70-85。，在橫斷面上視傾角31。～47。，傾向線路左側(cè)，洞口右側(cè)邊坡順層，洞身右側(cè)順層偏壓。該段為Ⅴ級(jí)圍巖，以軟弱破碎圍巖為主，拱部及左側(cè)壁無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定。施工時(shí)采用控制爆破結(jié)合機(jī)械開挖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，保證開挖成形質(zhì)量，改善襯砌工作環(huán)境，Ⅴc型復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)，同時(shí)加強(qiáng)洞頂及左側(cè)壁支護(hù)措施，嚴(yán)格按照“短開挖、弱爆破，強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原理進(jìn)行施工。

2 監(jiān)控量測(cè)方案的實(shí)施與結(jié)果分析

2.1 監(jiān)控量測(cè)的目的

①掌握隧道圍巖破碎段拱頂沉降和周邊收斂位移變化情況。

②了解初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況。

③及時(shí)將隧道拱頂沉降和周邊收斂位移監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋，為施工提供有關(guān)圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性、二次襯砌合理施作時(shí)間、圍巖級(jí)別及支護(hù)參數(shù)調(diào)整、施工方法改變的信息和依據(jù)，以便及時(shí)調(diào)整施工方案。

2.2 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目與布點(diǎn)要求

依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9218-2015）[2]和《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 9604-2015）[3]規(guī)定與設(shè)計(jì)文件要求，結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理確定監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目和布置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)頻率，確保監(jiān)測(cè)信息為正確調(diào)控施工決策和調(diào)整、驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，確保隧道施工中圍巖變形的真實(shí)性。具體項(xiàng)目詳見表1。

為了得到圍巖破碎段的圍巖變形規(guī)律，選擇DK722+000斷面對(duì)其凈空位移、拱頂沉降進(jìn)行量測(cè)。量測(cè)頻率按照表1要求進(jìn)行。

2.3 數(shù)據(jù)的回歸處理以及分析

現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的離散性，其中包含著測(cè)量誤差。因此，應(yīng)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理，其目的是將同一量測(cè)斷面的各種量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比、相互印證，以確定量測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性；探求圍巖變形或支護(hù)系統(tǒng)的受力隨時(shí)間變化的規(guī)律，判定圍巖和初期支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。在取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，及時(shí)由專業(yè)監(jiān)測(cè)人員整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)合圍巖、支護(hù)受力及變形情況，進(jìn)行分析判斷，將實(shí)測(cè)值與允許值進(jìn)行比較，及時(shí)繪制各種變形或應(yīng)力～時(shí)間關(guān)系曲線，預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨向及圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工。

監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目表 表1

2.4 圍巖量測(cè)信息化的管理等級(jí)及預(yù)警機(jī)制

圍巖量測(cè)信息化采用變形總量和變形速率對(duì)隧道安全進(jìn)行等級(jí)管理，位移管理等級(jí)及采取措施見表2、表3。

對(duì)采用上下臺(tái)階法開挖的DK722+000斷面的拱頂沉降、周邊收斂位移監(jiān)測(cè)結(jié)果采用圖1、圖2、圖3描述，然后分別對(duì)其所示曲線進(jìn)行求導(dǎo)即為拱頂沉降、周邊收斂位移、收斂速率，雖然相對(duì)應(yīng)速率小于預(yù)警值，但最后累計(jì)值超過(guò)了預(yù)警值，見圖1、圖2、圖3。

位移管理等級(jí) 表2

措施對(duì)應(yīng)表 表3

圖1 斷面拱頂累計(jì)沉降

圖2 斷面上臺(tái)階累計(jì)收斂位移

圖3 斷面下臺(tái)階累計(jì)收斂位移

經(jīng)過(guò)對(duì) DK721+990～DK722+000段監(jiān)測(cè)成果分析，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的勘查，拱頂初支混凝土表面已出現(xiàn)不同程度的開裂、掉塊，且局部已侵蝕。為了確保施工安全，施工單位及時(shí)對(duì)掌子面進(jìn)行了封閉處理，并對(duì)初支變形侵蝕段采取臨時(shí)護(hù)拱加固措施，待沉降穩(wěn)定后進(jìn)行換拱處理。

3 開挖方案調(diào)整

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)開挖方案進(jìn)行優(yōu)化，施工單位提出應(yīng)將原開挖方案調(diào)整為“短三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱開挖法”，經(jīng)過(guò)專家論證審核后，按此方案調(diào)整施工。

4 處治效果

采用“短三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱”開挖方法組織施工，有效地降低了初支沉降變形量，為了驗(yàn)證該法是否能確保圍巖變形不超過(guò)預(yù)警值，選取DK722+024斷面的拱頂沉降以及上、下臺(tái)階周邊收斂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每天一次。當(dāng)圍巖速率＞5mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)采取加強(qiáng)初期支護(hù)；速率變化在0.2～5.0mm/d時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，做好加固的準(zhǔn)備；速率＜0.2mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)具有一定的離散性，且現(xiàn)場(chǎng)的諸多因素導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)不可避免地存在一些誤差，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，將所得曲線與原始數(shù)據(jù)所得曲線進(jìn)行對(duì)比，以探求初支隨時(shí)間的變化規(guī)律。采用式（1）進(jìn)行回歸分析：

式（1）中：U- 形變量，mm；T- 形變時(shí)間，d；A、B- 回歸系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出，DK722+024斷面拱頂累計(jì)沉降量為66.7mm，DK722+024斷面上臺(tái)階累計(jì)收斂位移為53.4mm，DK722+024斷面下臺(tái)階累計(jì)收斂位移為71.5mm。

由此可見，隨著時(shí)間的推移，曲線斜率在逐漸減小，即收斂的累計(jì)值雖然仍在增加，但是拱頂下沉速率、周邊收斂速率在逐漸減小。在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，收斂值在逐漸增加，最后逐漸趨于穩(wěn)定值，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)是施作二襯的最佳時(shí)機(jī)。通過(guò)對(duì)奉節(jié)隧道進(jìn)口軟弱圍巖段的監(jiān)控量測(cè)及數(shù)據(jù)處理分析，為預(yù)報(bào)險(xiǎn)情、指導(dǎo)開挖與支護(hù)參數(shù)及時(shí)提供信息依據(jù)，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，降低安全風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路隧道斷面大、穿越地層復(fù)雜、圍巖變形大且不穩(wěn)定，變形速率、時(shí)間與位移等因素與隧道圍巖變形特性有著非常緊密的聯(lián)系，而且不同階段的圍巖變形具有不同特性。因此，為確保施工過(guò)程的安全可靠，施工期間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定相應(yīng)的監(jiān)控量測(cè)方案，加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖尤其是對(duì)軟弱破碎圍巖段的監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)分析拱頂沉降、周邊收斂位移的變化情況。在了解隧道洞內(nèi)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上掌握圍巖變形特性，進(jìn)而為探究解決措施提供有力依據(jù)，保證隧道安全施工。