風(fēng)化砂巖隧道塌方處治及智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析

覃珍波 薛魁 黃彬華

在風(fēng)化砂巖地區(qū)修建的隧道由于圍巖結(jié)構(gòu)層之間粘聚力低，容易出現(xiàn)掉塊及滑塌等現(xiàn)象。文章以廣西某高速公路隧道施工為背景，針對(duì)隧道施工中出現(xiàn)的塌方現(xiàn)象，分析了塌方成因與處治措施，并采用智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，收集病害處治處實(shí)時(shí)的隧道圍巖應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)健康情況等信息，反饋支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，以判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為后續(xù)類似隧道工程提供參考。

隧道施工;風(fēng)化砂巖;塌方;病害處治;應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

U458.3A301072

0 引言

在砂巖地區(qū)修建的隧道，由于風(fēng)化砂巖的圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，層間粘聚力很低，掌子面常有少量或大量流水。水會(huì)使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開(kāi)挖后產(chǎn)生的空洞導(dǎo)致巖體有空間往下墜落。雖然圍巖巖體表觀較完整，但是穩(wěn)定性較弱，容易掉塊及滑塌。本文以廣西某高速公路隧道施工為背景，針對(duì)隧道施工中出現(xiàn)的塌方現(xiàn)象，通過(guò)病害處治后，采用智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，收集病害處治處實(shí)時(shí)的隧道圍巖應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)健康情況等信息，反饋支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，以判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，為后續(xù)類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

廣西某高速公路隧道樁號(hào)為ZK424+195～ZK429+537（5 334 m）/YK424+203～YK429+520（5 325 m）。左線Ⅴ級(jí)圍巖714 m，Ⅳ級(jí)圍巖2 150 m，Ⅲ級(jí)圍巖2 470 m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比53.6%;右線Ⅴ級(jí)圍巖705 m，Ⅳ級(jí)圍巖1 990 m，Ⅲ級(jí)圍巖2 630 m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比50.61%。軟弱圍巖占比較高，屬中-強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

2 隧道塌方處治

該高速公路隧道右線YK429+611～YK429+608于開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)滑塌，塌方高度為3 m，縱向長(zhǎng)7 m，塌方方量約60 m3，初支型鋼被損壞2榀。

2.1 塌方原因分析

隧道開(kāi)挖至該掌子面時(shí)，圍巖揭露為中-強(qiáng)風(fēng)化砂巖，掌子面左側(cè)為巨厚層砂巖，右側(cè)為薄層砂巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，層間粘聚力很低，掌子面呈淋雨?duì)畛鏊?。水使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開(kāi)挖后產(chǎn)生的空洞使得巖體有下墜空間。

2.2 處治措施

（1）加強(qiáng)隧道右線YK429+611～YK429+608段初支，該段初支原設(shè)計(jì)為Ⅳ圍巖支護(hù)，采用Ⅰ20b型鋼拱架加強(qiáng)，縱向間距為50 cm。

（2）拱頂上方空腔部分應(yīng)及時(shí)采用C20混凝土泵注填滿。

（3）隧道二襯由原設(shè)計(jì)40 cm加厚至50 cm。

（4）應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、緊支護(hù)”的原則進(jìn)行開(kāi)挖。

3 隧道智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

針對(duì)該隧道圍巖復(fù)雜多變、病害多發(fā)的情況，項(xiàng)目擬在上述病害段布設(shè)智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為監(jiān)測(cè)病害處治后隧道的穩(wěn)定性，需要監(jiān)測(cè)二襯同初支之間的應(yīng)力。

鋼筋應(yīng)力量測(cè)和混凝土應(yīng)力量測(cè)應(yīng)布置在同一個(gè)斷面，巖層變化處應(yīng)調(diào)整或增設(shè)量測(cè)斷面。鋼筋應(yīng)力量測(cè)和混凝土應(yīng)力量測(cè)斷面按間距3 m布設(shè)。

（1）鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道拱頂和拱側(cè)位置。初讀數(shù)應(yīng)在澆筑混凝土后12 h內(nèi)讀取，最遲≤24 h。

（2）土壓力監(jiān)測(cè)。

根據(jù)本工程實(shí)際，確定土壓力測(cè)線分別布置在拱頂和拱側(cè)位置。量測(cè)斷面間距為3 m和5 m。初讀數(shù)應(yīng)在安裝后12 h內(nèi)讀取，最遲≤24 h。

（3）鋼表面應(yīng)變測(cè)量。

鋼表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側(cè)位置。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出累計(jì)應(yīng)變、單應(yīng)變等曲線，并可對(duì)其進(jìn)行擬合，進(jìn)而預(yù)測(cè)其最終應(yīng)力，用以指導(dǎo)施工。

（4）混凝土應(yīng)變測(cè)量。

混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側(cè)位置。量測(cè)斷面間距為3 m和5 m。初讀數(shù)應(yīng)在安裝后12 h內(nèi)讀取，最遲≤24 h。將量測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可以對(duì)隧道洞室的最終變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。

（5）線路布設(shè)及調(diào)試。

在每個(gè)監(jiān)測(cè)計(jì)引出一條數(shù)據(jù)傳輸光纜，匯集到信息采集箱。采集箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街蛋嗍业臄?shù)據(jù)端。安裝好后進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，采集初始數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)并采集原始數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所得的原始數(shù)據(jù)不可避免具有一定的離散性，其中包含著測(cè)量誤差甚至測(cè)試錯(cuò)誤[1]，故需要剔除個(gè)別具有明顯異常的數(shù)據(jù)。剔除異常數(shù)據(jù)后，分析對(duì)比同一量測(cè)斷面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并相互印證，確保量測(cè)結(jié)果的可靠性。在判定圍巖和支護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)方面，通過(guò)尋求圍巖變形或支護(hù)系統(tǒng)的受力隨時(shí)間變化和空間分布規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。

現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)是隨時(shí)間和空間變化的，可以用變化曲線關(guān)系圖表示量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況，繪制位移、應(yīng)力與時(shí)間t的關(guān)系曲線，如圖1～2所示。

從圖1可知，鋼筋應(yīng)力在允許范圍以內(nèi);在圖2中，土壓力與時(shí)間關(guān)系曲線平緩。可見(jiàn)通過(guò)病害處治后圍巖自穩(wěn)能力較高，雖然左側(cè)拱腳處土壓力呈上升趨勢(shì)，但是壓力較小可忽略，后續(xù)繼續(xù)觀察土壓力無(wú)突變情況且在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可判定支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）風(fēng)化砂巖類型隧道圍巖情況復(fù)雜多變，圍巖穩(wěn)定時(shí)不能掉以輕心、盲目加快施工進(jìn)度。若出現(xiàn)巖層產(chǎn)狀為順層形式或沿節(jié)理面有水滲出時(shí)，極易發(fā)生

掉塊滑塌。出現(xiàn)該種情況應(yīng)減小每循環(huán)施工進(jìn)尺，進(jìn)行弱爆破并加強(qiáng)超前支護(hù)，避免災(zāi)害發(fā)生。

（2）通過(guò)智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握圍巖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)信息，判定病害處治效果。而智能應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅僅只用于監(jiān)測(cè)病害處治，還可用于隧道施工的每一環(huán)節(jié)，達(dá)到確保安全施工的目的。

[1]金 松，潘 龍.淺談山區(qū)高速公路雙連拱隧道監(jiān)測(cè)的意義[J].工程與建設(shè)，2008，22（2）：252-254.

[2]卿立春.隧道工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)[J].科技風(fēng)，2010（7）：127-128.