淺談軟質(zhì)圍巖隧道監(jiān)控量測(cè)方案的制定

任永強(qiáng)

（甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國(guó)交通網(wǎng)的不斷完善，山區(qū)軟質(zhì)圍巖公路隧道日益增多，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)大變形、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。監(jiān)控量測(cè)是隧道工程施工實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化控制的重要手段，其目的在于了解圍巖變形機(jī)理，判斷支護(hù)方案的可靠性，優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，從而達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。因此，根據(jù)圍巖情況制定科學(xué)合理的監(jiān)控量測(cè)方案是隧道施工的重中之重。

目前，施工單位對(duì)監(jiān)控量測(cè)的方案制定不夠重視，通常情況只做洞內(nèi)外觀測(cè)、周邊位移和地表下沉等必測(cè)項(xiàng)目，沒(méi)有做到有效結(jié)合圍巖變形特點(diǎn)制定監(jiān)控量測(cè)方案，施工過(guò)程中沒(méi)有做到系統(tǒng)掌握圍巖變形規(guī)律，而進(jìn)行盲目施工，致使后期出現(xiàn)二次襯砌厚度控制不精準(zhǔn)、襯砌侵限和襯砌開(kāi)裂等一系列問(wèn)題。特別是地質(zhì)復(fù)雜的軟質(zhì)圍巖隧道，圍巖變形量大，周期長(zhǎng)，過(guò)程復(fù)雜，不但每段圍巖變形規(guī)律都不一樣，而且同一斷面上的不同點(diǎn)變形也不盡相同，只做以上必測(cè)項(xiàng)目是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。采古隧道為炭質(zhì)頁(yè)巖和板巖互層的軟質(zhì)圍巖隧道，變形量大且復(fù)雜，施工過(guò)程中，為系統(tǒng)了解圍巖變形機(jī)理，將圍巖內(nèi)部變形量、圍巖及襯砌間壓力、襯砌內(nèi)部及鋼支撐應(yīng)力和應(yīng)變等選測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合圍巖特點(diǎn)納入監(jiān)控量測(cè)的范疇，根據(jù)圍巖實(shí)際情況制定了采古隧道監(jiān)控量測(cè)方案，取得了良好的效果。下面就以采古隧道監(jiān)控量測(cè)方案的制定為例，介紹如何根據(jù)圍巖變形特性，制定監(jiān)控量測(cè)方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

采古隧道位于甘南州S313 線宕昌（南河）至迭部二級(jí)公路中段迭部縣洛大鄉(xiāng)采古村，隧道起訖樁號(hào)K56+904～K58+282，全長(zhǎng)1378m，設(shè)計(jì)圍巖為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)兩種等級(jí)，其中Ⅳ級(jí)圍巖600m，Ⅴ級(jí)圍巖778m，Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)的56%。最大埋深320m，設(shè)計(jì)凈寬10.5m，凈高5m，為單線雙向雙車(chē)道隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度40km/h。

1.2 工程地質(zhì)條件

采古隧道進(jìn)口左側(cè)為一古滑坡堆積體，表面覆蓋層為泥石混合體，厚度約為15m，地表溝壑縱橫，該堆積體有緩慢移動(dòng)跡象，進(jìn)口段埋深為左淺右深。巖層走向與隧道軸線基本平行，傾角為30°-80°之間，層理與隧道軸線組合關(guān)系極為不利，圍巖破碎，拱部掉塊嚴(yán)重，局部段落有崩塌、大變形等不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道穿越桑谷山及桑底-翠谷山南區(qū)域斷層F2，褶皺（褶曲）和斷層伴生節(jié)理大量發(fā)育。采古隧道圍巖主要為炭質(zhì)頁(yè)巖和炭質(zhì)板巖互層，層間夾雜著大量礦物粘粒。炭質(zhì)頁(yè)巖為黑色弱風(fēng)化沉積巖，含水率在7%－10%之間，飽和單軸抗壓強(qiáng)度在3－4MPa 之間，為極軟巖。炭質(zhì)板巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度約10－20MPa 之間，為軟巖。

2 圍巖變形特性

采古隧道施工前期，為制定合理監(jiān)控量測(cè)方案來(lái)指導(dǎo)施工，查閱了大量類(lèi)似地質(zhì)的工程實(shí)例。并根據(jù)炭質(zhì)頁(yè)巖工程特性，對(duì)采古隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析推理。

2.1 圍巖變形量大

圍巖主要以炭質(zhì)頁(yè)巖為主，屬軟巖，局部段落為極軟巖，強(qiáng)度極低，自穩(wěn)能力極差。加之炭質(zhì)頁(yè)巖具有膨脹性、崩解性，圍巖變形量極大。受地下水等不良因素的影響，單日變形量可達(dá)5～10cm，累計(jì)變形量可達(dá)60～110cm。

2.2 圍巖變形持續(xù)周期長(zhǎng)

一般情況下，隧道洞身開(kāi)挖后，隨著支護(hù)體系的不斷完善，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。而炭質(zhì)頁(yè)巖隧道不同，開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力重新分布，層狀結(jié)構(gòu)圍巖出現(xiàn)裂隙，空氣、水等不良因素侵入巖體內(nèi)部，致使圍巖層間粘粒膨脹，產(chǎn)生大量塑性變形，若不采取適當(dāng)工程措施，影響范圍將不斷擴(kuò)大，甚至發(fā)生突變，所以，此類(lèi)圍巖變形周期長(zhǎng)。

2.3 圍巖變形不規(guī)則性

采古隧道巖層由北傾向東，由于膨脹作用，巖層間產(chǎn)生法向作用力（如圖1 所示），隧道右層巖層間作用力受下部地層約束而平衡，而左側(cè)圍巖開(kāi)挖后形成臨空面，無(wú)約束力，從而造成隧道左側(cè)圍巖變形普遍大于右側(cè)。炭質(zhì)頁(yè)巖隧道大變形主要是由于塑性變形所致，且受水等不利因素影響，不同斷面圍巖松動(dòng)范圍變化大，致使采古隧道圍巖變形所表現(xiàn)出的規(guī)律性不明顯。

圖1 圍巖壓力示意圖

2.4 斷層段圍巖的特殊性

采古隧道穿越斷層，而斷層是一種斷裂構(gòu)造，巖層被擠壓破碎，呈塊石、碎石、角礫及斷層泥等，巖體破碎且強(qiáng)度低。斷層帶中由于充填物的活動(dòng)性和強(qiáng)烈的擠壓作用，往往聚集了潛在應(yīng)力，開(kāi)挖后潛在應(yīng)力釋放出強(qiáng)大的膨脹力，且斷層帶易儲(chǔ)存大量地下水，加之本隧道圍巖主要以具有膨脹性得炭質(zhì)頁(yè)巖為主，各種不利因素疊加，造成采古隧道斷層段開(kāi)挖后，圍巖穩(wěn)定性極差，拱部易掉塊，甚至出現(xiàn)崩塌。

3 監(jiān)控量測(cè)方案

根據(jù)采古隧道圍巖的以上特性，只進(jìn)行周邊外移等必測(cè)項(xiàng)目量測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，很可能造成一系列質(zhì)量問(wèn)題，有針對(duì)性的制定了監(jiān)控量測(cè)方案很有必要。

3.1 成立監(jiān)控量測(cè)小組

采古隧道圍巖變形量大，周期長(zhǎng)，變形過(guò)程復(fù)雜。為將監(jiān)控量測(cè)工作做細(xì)做實(shí)，成立了由技術(shù)骨干組成的監(jiān)控量測(cè)小組，專(zhuān)職負(fù)責(zé)監(jiān)控量測(cè)工作，并邀請(qǐng)地質(zhì)專(zhuān)家作為項(xiàng)目技術(shù)咨詢(xún)顧問(wèn)，為解決地質(zhì)方面疑難問(wèn)題提供技術(shù)支持。設(shè)立了采古隧道地質(zhì)試驗(yàn)室，負(fù)責(zé)隧道圍巖產(chǎn)狀量測(cè)、巖性試驗(yàn)、巖石強(qiáng)度和圍巖含水量等試驗(yàn)工作，為監(jiān)控量測(cè)工作提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 監(jiān)控?cái)嗝孢x擇

監(jiān)控?cái)嗝娣譃榈湫蛿嗝婧鸵话銛嗝鎯煞N，典型斷面設(shè)置于有代表性圍巖的斷面上，進(jìn)行圍巖周邊位移、圍巖壓力、襯砌各結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力及襯砌內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變等項(xiàng)目量測(cè)[1]。若段落內(nèi)圍巖變化不明顯，該段落內(nèi)只設(shè)置一般監(jiān)控?cái)嗝妫话銛嗝嬷贿M(jìn)行洞內(nèi)外觀察、周邊位移和地表下沉等必測(cè)項(xiàng)目量測(cè)。隧道開(kāi)挖后，仔細(xì)觀察圍巖狀況有無(wú)變化，并進(jìn)行地質(zhì)素描，如果圍巖巖性、巖體構(gòu)造、含水量等發(fā)生明顯變化時(shí)，及時(shí)設(shè)置典型監(jiān)控?cái)嗝妫駝t只設(shè)置一般斷面[2]。進(jìn)入斷層后，必須設(shè)置典型監(jiān)控?cái)嗝妫皶r(shí)進(jìn)行量測(cè)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)圍巖變形規(guī)律，確保斷層段順利施工。

3.3 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

3.3.1 典型斷面量測(cè)項(xiàng)目

通過(guò)典型斷面量測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)該類(lèi)圍巖段落施工方法，盡可能全面掌握圍巖及襯砌受力和變形情況，量測(cè)項(xiàng)目包括圍巖內(nèi)部變形量、圍巖壓力、初襯與二襯間接觸壓力、鋼支撐應(yīng)力應(yīng)變、襯砌內(nèi)部應(yīng)力及規(guī)范要求的周邊位移等必測(cè)項(xiàng)目。

3.3.2 一般斷面量測(cè)項(xiàng)目

一般量測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)外觀察、周邊位移和地表下沉等常規(guī)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，每循環(huán)洞身開(kāi)挖后，通過(guò)對(duì)圍巖觀察，詳細(xì)描述圍巖狀況，并進(jìn)行地質(zhì)素描，及時(shí)判斷圍巖變化與否。

3.4 監(jiān)控量測(cè)方法

圍巖內(nèi)部變形量通過(guò)在典型斷面左拱腰、拱頂、右拱腰三個(gè)位置圍巖內(nèi)部安裝位移計(jì)，量測(cè)施工不同階段和圍巖不同深度的位移情況；圍巖壓力、襯砌間壓力通過(guò)在圍巖與初襯間、初襯與二襯間相應(yīng)位置安裝壓力盒進(jìn)行量測(cè)；鋼支撐應(yīng)力應(yīng)變和二襯內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變使用鋼弦測(cè)壓儀進(jìn)行量測(cè)，在鋼支撐及二襯內(nèi)部鋼筋骨架上安裝量測(cè)元件。在襯砌邊墻位置設(shè)立觀測(cè)孔，所用量測(cè)裝置電纜都集中至觀測(cè)孔內(nèi)，并做好編號(hào)，以防混淆。一般斷面量測(cè)按規(guī)范要求頻率，用全站儀、水準(zhǔn)儀和收斂?jī)x等儀器進(jìn)行量測(cè)。

3.5 數(shù)據(jù)采集分析

在上臺(tái)階初支施工、下臺(tái)階初支施工、仰拱開(kāi)挖及封閉、二襯施工前后等不同施工節(jié)點(diǎn)，及時(shí)采集量測(cè)數(shù)據(jù)。為便于分析圍巖受力與變形之間的關(guān)系，必測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集盡量與選測(cè)項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)分析不同時(shí)段，不同部位受力和變形情況，總結(jié)受力變形規(guī)律，為及時(shí)采取工程措施和調(diào)整施工方案提供依據(jù)。

3.6 量測(cè)斷面技術(shù)總結(jié)

通過(guò)對(duì)典型斷面從洞身開(kāi)挖至二次襯砌施工完成后，圍巖變形基本穩(wěn)定，總結(jié)出該斷面變形規(guī)律，用以指導(dǎo)后續(xù)類(lèi)似圍巖段落施工，對(duì)需要采取特別工程措施進(jìn)行圍巖加固的段落，及時(shí)采取措施，防止造成不必要的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)闡述采古隧道如何根據(jù)實(shí)際圍巖狀況，制定合理的監(jiān)控量測(cè)方案，對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了以下幾方面圍巖變形規(guī)律：一是圍巖及襯砌間壓力、襯砌內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、圍巖內(nèi)部位移左側(cè)遠(yuǎn)大于右側(cè)，進(jìn)一步證實(shí)了該隧道圍巖變形左側(cè)大于右側(cè)這一規(guī)律。施工過(guò)程中，對(duì)左側(cè)支護(hù)加大了預(yù)留變形量，并提高支護(hù)參數(shù)；二是圍巖變形周期長(zhǎng)，在二襯施工前圍巖內(nèi)部位移、襯砌間壓力和襯砌周邊位移仍未趨于穩(wěn)定，圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，為確保施工質(zhì)量，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固；三是該圍巖暴露時(shí)間越長(zhǎng)，各項(xiàng)量測(cè)數(shù)據(jù)越大，變形越大。針對(duì)這一特點(diǎn)，開(kāi)挖完成后第一時(shí)間對(duì)裸露巖面進(jìn)行初噴封閉。采古隧道根據(jù)圍巖狀況，有針對(duì)性制定監(jiān)控量測(cè)方案，取得了顯著效果，真正意義上做到了隧道施工的動(dòng)態(tài)化控制，也為以后類(lèi)似軟質(zhì)圍巖隧道施工提供參考實(shí)例。