炭質板巖地層隧道圍巖大變形監(jiān)測及特征分析

摘要：以峨（峨眉）漢（漢源）高速金口河隧道為工程依托，針對炭質板巖地層隧道施工技術難點，采用信息化監(jiān)測及數(shù)據(jù)回歸分析的方法，對炭質板巖地層隧道施工大變形特征進行分析。研究結果表明：采用環(huán)形開挖預留核心土法施工方案，隧道圍巖初期變形速率高且持續(xù)時間長；監(jiān)測斷面隧道結構變形70%～90%是上臺階施工引起的；圍巖變形趨于穩(wěn)定后，拱頂累計沉降量普遍為洞周收斂量的60%～90%；圍巖變形受開挖及圍巖條件影響較大。研究成果可為類似工程施工設計提供借鑒與參考。

關鍵詞：隧道工程； 大變形特征； 炭質板巖； 現(xiàn)場監(jiān)測； 回歸分析

中國分類號：U456.3+1A

［定稿日期］2022-04-21

［作者簡介］何平（1982—），男，本科，高級工程師，研究方向為公路工程項目施工技術管理。

［通信作者］王耀達（1998—），男，碩士，研究方向為隧道及地下工程設計理論。

0 引言

由于西南地區(qū)復雜的地質條件，隧道工程在施工過程中常難以避免地穿越復雜地質環(huán)境。其中，炭質板巖作為西南地區(qū)普遍存在的一種特殊地質巖體，隧道施工過程中存在受力復雜，變形大等特點，極易造成圍巖失穩(wěn)、掌子面塌方等災害［1-2］。因此，對于隧道在炭質板巖地層施工過程中隧道結構及圍巖變形特征的研究，極具工程價值和實際意義。

目前，國內外學者對隧道在炭質板巖地層施工過程中的圍巖變形問題進行了較為豐富的研究，并取得了系列成果。劉陽等［3］依托木寨嶺隧道工程，分析了炭質板巖地層大變形發(fā)生的影響因素，并提出應對措施。林超［4］通過現(xiàn)場監(jiān)測與理論分析，結合大臨鐵路杏子山隧道，基于核心土加固思路提出了適用于破碎炭質板巖隧道的大變形施工控制措施；晉婉晴等［5］依托云南海巴洛隧道，通過數(shù)值模擬方法對比不同開挖方法下圍巖變形及隧道結構受力情況，提出三臺階預留核心土法更適于炭質板巖隧道施工，更利于隧道整體結構的穩(wěn)定；王明勝［6］依托某高地應力隧道強風化炭質板巖段，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗方法，對比分析了三臺階法和超前導洞擴挖法對大變形的控制效果，并推薦了三臺階法施工方案。陳炳光等［7］結合峨漢高速豹貍崗隧道工程，依據(jù)對圍巖壓力、支護內力等的監(jiān)測分析，得出IV級圍巖形變荷載分布規(guī)律及結構受力特征，并提出支護優(yōu)化方案；郭健等［8］以香麗高速公路海巴洛隧道典型炭質板巖工程為依托，通過對圍巖位移和襯砌內力的監(jiān)測分析，總結出不同施工階段隧道變形段襯砌的受力特征。蘇道振等［9］依托小盤嶺隧道大斷面碳化泥質板巖段工程進行現(xiàn)場試驗，提出采取I20鋼支撐及襯砌背后徑向注漿等措施可降低襯砌結構受力和圍巖變形，同時構建了 BP 神經網(wǎng)絡方法準確預測隧道變形情況。

綜上所述，當前對于炭質板巖地層在隧道施工過程中的變形問題已有了一系列的研究，但是隧道工程地質、施工工法變化導致結構易出現(xiàn)大變形問題，影響隧道整體結構安全。本文為進一步研究炭質板巖隧道的變形特征，依托峨（峨眉）漢（漢源）高速金口河隧道工程，通過典型斷面隧道變形監(jiān)控量測分析，對炭質板巖段IV、V級圍巖下的隧道結構變形特征進行研究，獲得的研究成果直接指導該隧道工程建設，同時可為類似工程設計與施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

金口河隧道為峨漢高速的控制性工程之一，位于四川省西南部樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區(qū)交界處的中高山峽谷區(qū)。隧道全長8 130 m，為雙向四車道隧道，最大埋深1 317 m。隧道地質情況極其復雜，V級圍巖占比47.74%，IV級圍巖占比46.84%，Ⅲ級圍巖占5.43%。本文研究段隧道圍巖主要為中風化炭質板巖和炭質板巖夾砂巖，受構造作用影響，巖體結構面發(fā)育，結合程度差，以板塊碎裂～鑲嵌結構為主，完整性較差。根據(jù)物探解譯成果，地下水發(fā)育，該段為富水區(qū)，洞內地下水以淋雨狀出水為主，局部段可能呈股狀或大雨狀出水；圍巖自穩(wěn)能力差，隧道拱頂開挖無支護時易發(fā)生較大～大坍塌，側壁易發(fā)生小坍塌。根據(jù)相鄰臨近隧道水質分析結果，炭質板巖段地下水可能具有弱腐蝕性。

1.2 隧道襯砌支護參數(shù)

本文選取左線出口段ZK67+720～ZK68+210進行研究分析，縱剖面見圖1，該段隧道采用環(huán)形開挖預留核心土法施工（圖2），IV、V級圍巖段隧道支護設計參數(shù)見表 1、圖3。

2 隧道施工大變形段監(jiān)測

根據(jù)金口河隧道施工方法及工程特點，設計了隧道變形監(jiān)控量測方案，主要監(jiān)測內容為拱頂沉降以及洞周收斂。其中，拱頂沉降監(jiān)測主要針對拱頂下沉變化規(guī)律進行監(jiān)測分析，根據(jù)量測數(shù)據(jù)，確認圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護效果，指導施工工序預防坍塌，保證隧道施工安全；洞周收斂監(jiān)測是通過對隧道上、下臺階的周邊收斂量及收斂速度進行觀察分析，判斷圍巖的穩(wěn)定程度，選擇適當?shù)亩我r砌支護時機，指導現(xiàn)場施工。監(jiān)測點布置如圖4所示。

3 隧道變形監(jiān)測結果分析

受篇幅所限，本文選取隧道左線炭質板巖區(qū)段IV、V級圍巖典型斷面進行隧道變形對比分析，分別為斷面1（ZK68+055，IV級圍巖），斷面2（ZK67+755，V級圍巖）。

3.1 拱頂沉降分析

斷面1隧道拱頂下沉時程曲線及其沉降速率如圖 5、圖 6所示。

斷面1在隧道上臺階開挖后，拱頂沉降急劇增長，初期沉降速率最高達到了9.4 mm/d，累計沉降量達到42.6 mm（圖 5）。在開挖一周時間左右，沉降速率逐漸降低至0.8 mm/d（圖 6），直到下臺階開挖后，拱頂沉降速率有短暫回升，達到了1.8 mm/d，隨后沉降速率再次減小，在仰拱施作后，初期支護閉合成環(huán)，拱頂沉降速率趨于穩(wěn)定，說明隧道在仰拱施作后整體結構安全可控。

斷面2隧道拱頂下沉時程曲線及沉降速率如圖 7、圖 8所示。

斷面2隧道拱頂沉降變化趨勢與斷面1相近，在上臺階開挖后，拱頂沉降急劇增長，初期沉降速率最高達到了13.2 mm/d，累計沉降量達到54.6 mm。在開挖一周時間左右，沉降速率逐漸降低至2.4 mm/d，直到下臺階開挖后，拱頂沉降速率有短暫回升，達到了4.8 mm/d，隨后沉降速率再次減小，在仰拱施作后，初期支護閉合成環(huán)，拱頂沉降速率大大降低，沉降量緩慢增長。

為了準確反映隧道結構變化規(guī)律，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲得斷面1和斷面2的拱頂沉降擬合方程分別為式（1）、式（2）。

從式（1）和式（2）的擬合方程相關系數(shù)R2趨近于1，可看出曲線相關性較好，可以用來預測斷面拱頂累計沉降情況，為隧道預留變形量的設計提供參考［10］，則斷面1和斷面2預測最終的累積沉降值分別為56.43 mm、78.77 mm。

3.2 隧道結構周邊收斂分析

斷面1的周邊收斂隨時間變化曲線和收斂速率如圖 9、圖 10所示。

斷面1在隧道上臺階開挖后，SL1收斂曲線迅速增加，初期收斂速率最高達到9.4 mm/d。開挖5d后，收斂速率明顯降低，但仍持續(xù)收斂。下臺階開挖及施作后，SL1收斂速率沒有明顯變化，直至仰拱施作后，初期支護閉合成環(huán)，穩(wěn)定發(fā)揮作用，收斂速率大大降低，SL1收斂量增長平緩。

SL2收斂曲線在下臺階開挖后，初期收斂量迅速增加，收斂速率最高達到4.6 mm/d。仰拱開挖施作后，隨著初期支護閉合，收斂速率明顯降低，收斂增長平緩。

斷面2的周邊收斂隨時間變化曲線和收斂速率如圖 11、圖 12所示。

與斷面1變化趨勢相近，SL1收斂曲線可看出隧道在上臺階開挖后，收斂速率突增，最高達到了17.9 mm/d，累計收斂量達到了93.6 mm。一周時間后，收斂速率降低，下臺階開挖后，有短暫回升，最終仰拱施作后，速率明顯降低，收斂增長平緩。SL2收斂曲線在下臺階開挖后，收斂速率急劇增加，最高達到17.7 mm/d，之后增長速率逐漸降低，增長平緩。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，可得到隧道斷面1和斷面2的周邊收斂擬合方程見表 2。

由表2中4個擬合方程的相關系數(shù)R2皆趨近于1，可看出曲線相關性較好，可以用來預測斷面最終周邊收斂情況，為隧道預留變形量的設計提供參考，則斷面1和斷面2的預測最終累積收斂值分別為69.11 mm、108.68 mm。

3.3 炭質板巖地層隧道圍巖變形特征

結合金口河隧道炭質板巖IV、V級圍巖段其余較具代表性監(jiān)測斷面累計變形情況（表 3），可得出研究段炭質板巖地層變形特點主要有：

（1）初期變形速率大且持續(xù)時間長。ZK67+720～ZK68+210段炭質板巖地層斷面圍巖在開挖前期圍巖變形速率基本為10～20 mm/d，且持續(xù)時間為一周左右，與相近地層隧道相比，初期變形速率較大且持續(xù)時間較長。

（2）變形主要由上臺階部分承擔。根據(jù)表3中的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用環(huán)形開挖預留核心土法施工的隧道，IV級圍巖段上臺階開挖引起的圍巖位移達到了總位移的70%～80%，V級圍巖段普遍達到90%左右，表明開挖引起的圍巖的應力釋放主要集中在上臺階施工階段，因此，應盡量減少施工間隔時間。

（3）洞周收斂大于拱頂沉降。綜合所監(jiān)測斷面變形數(shù)據(jù)，普遍存在拱頂最終累積沉降量為同一斷面周邊收斂量的60%～90%的現(xiàn)象。推斷可能發(fā)生側墻侵限的問題，應適當加強對側墻支護的設計。

（4）受開挖擾動影響大。由變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，圍巖變形速率的激增主要發(fā)生在上臺階開挖初期，在下臺階開挖時，變形也會出現(xiàn)短暫激增，表明開挖擾動對圍巖變形會產生較大影響。

（5）受圍巖條件影響明顯。根據(jù)IV、V級圍巖典型斷面變形情況的對比，可以看出，當同樣采用環(huán)形開挖預留核心土法施工時，V級圍巖條件下的拱頂沉降及洞周收斂都要明顯大于IV級圍巖條件。因此，針對地質條件較差的區(qū)段，可以考慮采用適當加大預留變形量以及加大二襯厚度（原厚度的15%～20%），控制隧道結構整體變形，保障隧道建設安全。

4 結論

基于隧道施工現(xiàn)場調研及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對比分析了炭質板巖地層隧道IV、V級圍巖段采用環(huán)形開挖預留核心土法施工過程中的圍巖變形特征，獲得了幾點結論：

（1）峨漢高速金口河隧道炭質板巖段隧道工程，在施工過程中圍巖初期變形速率高，達到10～20 mm/d，且持續(xù)時間在一周左右，斷面整體變形主要由上臺階承擔，在IV、V級圍巖段分別達到70%～80%和90%左右。

（2）炭質板巖段隧道拱頂最終累積沉降量只達到洞周最終收斂量的60%～90%，表明相較于拱頂沉降，更要加強對隧道兩側支護受力變形狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而動態(tài)調整設計參數(shù)，保障結構安全。

（3）圍巖變形速率的激增主要發(fā)生在上臺階與下臺階開挖前期，說明圍巖變形受開挖影響較大，因此，在每部分開挖前后，要加強對隧道、圍巖受力變形狀態(tài)的監(jiān)測控制，選擇合適的開挖時機與進尺。

（4）采用環(huán)形開挖預留核心土法施工時，斷面變形在V級圍巖條件下普遍大于IV級圍巖。在V級圍巖中施工時，應更加重視對隧道結構與圍巖的控制，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和回歸分析結果，選擇合適的二襯施作時期，采取適當增加預留變形量以及加大二襯厚度（原厚度的15%～20%）等措施，控制隧道結構整體變形，保障隧道施工安全。

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