風化砂巖隧道塌方處治及智能應力應變監(jiān)測分析

覃珍波 薛魁 黃彬華

在風化砂巖地區(qū)修建的隧道由于圍巖結構層之間粘聚力低，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，并采用智能應力應變監(jiān)測技術，收集病害處治處實時的隧道圍巖應力與應變數(shù)據(jù)以及支護結構健康情況等信息，反饋支護結構工作狀態(tài)，以判斷支護結構的穩(wěn)定性，為后續(xù)類似隧道工程提供參考。

隧道施工;風化砂巖;塌方;病害處治;應力應變監(jiān)測

U458.3A301072

0 引言

在砂巖地區(qū)修建的隧道，由于風化砂巖的圍巖結構面發(fā)育，層間粘聚力很低，掌子面常有少量或大量流水。水會使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開挖后產(chǎn)生的空洞導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，針對隧道施工中出現(xiàn)的塌方現(xiàn)象，通過病害處治后，采用智能應力應變監(jiān)測技術，收集病害處治處實時的隧道圍巖應力與應變數(shù)據(jù)以及支護結構健康情況等信息，反饋支護結構工作狀態(tài)，以判斷支護結構是否穩(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為ZK424+195～ZK429+537（5 334 m）/YK424+203～YK429+520（5 325 m）。左線Ⅴ級圍巖714 m，Ⅳ級圍巖2 150 m，Ⅲ級圍巖2 470 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比53.6%;右線Ⅴ級圍巖705 m，Ⅳ級圍巖1 990 m，Ⅲ級圍巖2 630 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比50.61%。軟弱圍巖占比較高，屬中-強風化砂巖。

2 隧道塌方處治

該高速公路隧道右線YK429+611～YK429+608于開挖過程中出現(xiàn)滑塌，塌方高度為3 m，縱向長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

隧道開挖至該掌子面時，圍巖揭露為中-強風化砂巖，掌子面左側為巨厚層砂巖，右側為薄層砂巖，結構面發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結構，層間粘聚力很低，掌子面呈淋雨狀出水。水使得塊狀巖體間的粘聚力減弱，開挖后產(chǎn)生的空洞使得巖體有下墜空間。

2.2 處治措施

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

（2）拱頂上方空腔部分應及時采用C20混凝土泵注填滿。

（3）隧道二襯由原設計40 cm加厚至50 cm。

（4）應嚴格遵循“短進尺、緊支護”的原則進行開挖。

3 隧道智能應力應變監(jiān)測

針對該隧道圍巖復雜多變、病害多發(fā)的情況，項目擬在上述病害段布設智能應力應變監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)測點布設

為監(jiān)測病害處治后隧道的穩(wěn)定性，需要監(jiān)測二襯同初支之間的應力。

鋼筋應力量測和混凝土應力量測應布置在同一個斷面，巖層變化處應調(diào)整或增設量測斷面。鋼筋應力量測和混凝土應力量測斷面按間距3 m布設。

（1）鋼筋應力監(jiān)測。鋼筋應力監(jiān)測點布置在隧道拱頂和拱側位置。初讀數(shù)應在澆筑混凝土后12 h內(nèi)讀取，最遲≤24 h。

（2）土壓力監(jiān)測。

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

（3）鋼表面應變測量。

鋼表面應變測點布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側位置。通過對監(jiān)測結果進行分析，可以得出累計應變、單應變等曲線，并可對其進行擬合，進而預測其最終應力，用以指導施工。

（4）混凝土應變測量。

混凝土應變測點布置在隧道鋼拱架拱頂和拱側位置。量測斷面間距為3 m和5 m。初讀數(shù)應在安裝后12 h內(nèi)讀取，最遲≤24 h。將量測結果進行分析，可以對隧道洞室的最終變形進行預測，從而達到指導施工的目的。

（5）線路布設及調(diào)試。

在每個監(jiān)測計引出一條數(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。安裝好后進行設備調(diào)試，采集初始數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測點布設完成后，需對現(xiàn)場進行量測并采集原始數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場量測所得的原始數(shù)據(jù)不可避免具有一定的離散性，其中包含著測量誤差甚至測試錯誤[1]，故需要剔除個別具有明顯異常的數(shù)據(jù)。剔除異常數(shù)據(jù)后，分析對比同一量測斷面的各項數(shù)據(jù)并相互印證，確保量測結果的可靠性。在判定圍巖和支護系統(tǒng)狀態(tài)方面，通過尋求圍巖變形或支護系統(tǒng)的受力隨時間變化和空間分布規(guī)律來實現(xiàn)[2]。

現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)是隨時間和空間變化的，可以用變化曲線關系圖表示量測現(xiàn)場的情況，繪制位移、應力與時間t的關系曲線，如圖1～2所示。

從圖1可知，鋼筋應力在允許范圍以內(nèi);在圖2中，土壓力與時間關系曲線平緩。可見通過病害處治后圍巖自穩(wěn)能力較高，雖然左側拱腳處土壓力呈上升趨勢，但是壓力較小可忽略，后續(xù)繼續(xù)觀察土壓力無突變情況且在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可判定支護結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

（1）風化砂巖類型隧道圍巖情況復雜多變，圍巖穩(wěn)定時不能掉以輕心、盲目加快施工進度。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，極易發(fā)生

掉塊滑塌。出現(xiàn)該種情況應減小每循環(huán)施工進尺，進行弱爆破并加強超前支護，避免災害發(fā)生。

（2）通過智能應力應變監(jiān)測技術，實時掌握圍巖應力應變數(shù)據(jù)以及支護結構的工作狀態(tài)信息，判定病害處治效果。而智能應力應變監(jiān)測技術不僅僅只用于監(jiān)測病害處治，還可用于隧道施工的每一環(huán)節(jié)，達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)測的意義[J].工程與建設，2008，22（2）：252-254.

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