炭質(zhì)板巖地層隧道圍巖大變形監(jiān)測(cè)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(duì)炭質(zhì)板巖地層隧道施工技術(shù)難點(diǎn)，采用信息化監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)回歸分析的方法，對(duì)炭質(zhì)板巖地層隧道施工大變形特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)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(shí)間長(zhǎng)；監(jiān)測(cè)斷面隧道結(jié)構(gòu)變形70%～90%是上臺(tái)階施工引起的；圍巖變形趨于穩(wěn)定后，拱頂累計(jì)沉降量普遍為洞周收斂量的60%～90%；圍巖變形受開(kāi)挖及圍巖條件影響較大。研究成果可為類(lèi)似工程施工設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程； 大變形特征； 炭質(zhì)板巖； 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)； 回歸分析

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U456.3+1A

［定稿日期］2022-04-21

［作者簡(jiǎn)介］何平（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣饭こ添?xiàng)目施工技術(shù)管理。

［通信作者］王耀達(dá)（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ淘O(shè)計(jì)理論。

0 引言

由于西南地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，隧道工程在施工過(guò)程中常難以避免地穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。其中，炭質(zhì)板巖作為西南地區(qū)普遍存在的一種特殊地質(zhì)巖體，隧道施工過(guò)程中存在受力復(fù)雜，變形大等特點(diǎn)，極易造成圍巖失穩(wěn)、掌子面塌方等災(zāi)害［1-2］。因此，對(duì)于隧道在炭質(zhì)板巖地層施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)及圍巖變形特征的研究，極具工程價(jià)值和實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道在炭質(zhì)板巖地層施工過(guò)程中的圍巖變形問(wèn)題進(jìn)行了較為豐富的研究，并取得了系列成果。劉陽(yáng)等［3］依托木寨嶺隧道工程，分析了炭質(zhì)板巖地層大變形發(fā)生的影響因素，并提出應(yīng)對(duì)措施。林超［4］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與理論分析，結(jié)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(zhì)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(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比不同開(kāi)挖方法下圍巖變形及隧道結(jié)構(gòu)受力情況，提出三臺(tái)階預(yù)留核心土法更適于炭質(zhì)板巖隧道施工，更利于隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；王明勝［6］依托某高地應(yīng)力隧道強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖段，通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析了三臺(tái)階法和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法對(duì)大變形的控制效果，并推薦了三臺(tái)階法施工方案。陳炳光等［7］結(jié)合峨漢高速豹貍崗隧道工程，依據(jù)對(duì)圍巖壓力、支護(hù)內(nèi)力等的監(jiān)測(cè)分析，得出IV級(jí)圍巖形變荷載分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)受力特征，并提出支護(hù)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(zhì)板巖工程為依托，通過(guò)對(duì)圍巖位移和襯砌內(nèi)力的監(jiān)測(cè)分析，總結(jié)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(pán)嶺隧道大斷面碳化泥質(zhì)板巖段工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)受力和圍巖變形，同時(shí)構(gòu)建了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道變形情況。

綜上所述，當(dāng)前對(duì)于炭質(zhì)板巖地層在隧道施工過(guò)程中的變形問(wèn)題已有了一系列的研究，但是隧道工程地質(zhì)、施工工法變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)大變形問(wèn)題，影響隧道整體結(jié)構(gòu)安全。本文為進(jìn)一步研究炭質(zhì)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(guò)典型斷面隧道變形監(jiān)控量測(cè)分析，對(duì)炭質(zhì)板巖段IV、V級(jí)圍巖下的隧道結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行研究，獲得的研究成果直接指導(dǎo)該隧道工程建設(shè)，同時(shí)可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)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(lè)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(zhǎng)8 130 m，為雙向四車(chē)道隧道，最大埋深1 317 m。隧道地質(zhì)情況極其復(fù)雜，V級(jí)圍巖占比47.74%，IV級(jí)圍巖占比46.84%，Ⅲ級(jí)圍巖占5.43%。本文研究段隧道圍巖主要為中風(fēng)化炭質(zhì)板巖和炭質(zhì)板巖夾砂巖，受構(gòu)造作用影響，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)合程度差，以板塊碎裂～鑲嵌結(jié)構(gòu)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(nèi)地下水以淋雨?duì)畛鏊疄橹鳎植慷慰赡艹使蔂罨虼笥隊(duì)畛鏊粐鷰r自穩(wěn)能力差，隧道拱頂開(kāi)挖無(wú)支護(hù)時(shí)易發(fā)生較大～大坍塌，側(cè)壁易發(fā)生小坍塌。根據(jù)相鄰臨近隧道水質(zhì)分析結(jié)果，炭質(zhì)板巖段地下水可能具有弱腐蝕性。

1.2 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

本文選取左線出口段ZK67+720～ZK68+210進(jìn)行研究分析，縱剖面見(jiàn)圖1，該段隧道采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工（圖2），IV、V級(jí)圍巖段隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1、圖3。

2 隧道施工大變形段監(jiān)測(cè)

根據(jù)金口河隧道施工方法及工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了隧道變形監(jiān)控量測(cè)方案，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為拱頂沉降以及洞周收斂。其中，拱頂沉降監(jiān)測(cè)主要針對(duì)拱頂下沉變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)，確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性，判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序預(yù)防坍塌，保證隧道施工安全；洞周收斂監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)隧道上、下臺(tái)階的周邊收斂量及收斂速度進(jìn)行觀察分析，判斷圍巖的穩(wěn)定程度，選擇適當(dāng)?shù)亩我r砌支護(hù)時(shí)機(jī)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

3 隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

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

3.1 拱頂沉降分析

斷面1隧道拱頂下沉?xí)r程曲線及其沉降速率如圖 5、圖 6所示。

斷面1在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降急劇增長(zhǎng)，初期沉降速率最高達(dá)到了9.4 mm/d，累計(jì)沉降量達(dá)到42.6 mm（圖 5）。在開(kāi)挖一周時(shí)間左右，沉降速率逐漸降低至0.8 mm/d（圖 6），直到下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降速率有短暫回升，達(dá)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(hù)閉合成環(huán)，拱頂沉降速率趨于穩(wěn)定，說(shuō)明隧道在仰拱施作后整體結(jié)構(gòu)安全可控。

斷面2隧道拱頂下沉?xí)r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(shì)與斷面1相近，在上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降急劇增長(zhǎng)，初期沉降速率最高達(dá)到了13.2 mm/d，累計(jì)沉降量達(dá)到54.6 mm。在開(kāi)挖一周時(shí)間左右，沉降速率逐漸降低至2.4 mm/d，直到下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降速率有短暫回升，達(dá)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(hù)閉合成環(huán)，拱頂沉降速率大大降低，沉降量緩慢增長(zhǎng)。

為了準(zhǔn)確反映隧道結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系數(shù)R2趨近于1，可看出曲線相關(guān)性較好，可以用來(lái)預(yù)測(cè)斷面拱頂累計(jì)沉降情況，為隧道預(yù)留變形量的設(shè)計(jì)提供參考［10］，則斷面1和斷面2預(yù)測(cè)最終的累積沉降值分別為56.43 mm、78.77 mm。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)周邊收斂分析

斷面1的周邊收斂隨時(shí)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(tái)階開(kāi)挖后，SL1收斂曲線迅速增加，初期收斂速率最高達(dá)到9.4 mm/d。開(kāi)挖5d后，收斂速率明顯降低，但仍持續(xù)收斂。下臺(tái)階開(kāi)挖及施作后，SL1收斂速率沒(méi)有明顯變化，直至仰拱施作后，初期支護(hù)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(zhǎng)平緩。

SL2收斂曲線在下臺(tái)階開(kāi)挖后，初期收斂量迅速增加，收斂速率最高達(dá)到4.6 mm/d。仰拱開(kāi)挖施作后，隨著初期支護(hù)閉合，收斂速率明顯降低，收斂增長(zhǎng)平緩。

斷面2的周邊收斂隨時(shí)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(shì)相近，SL1收斂曲線可看出隧道在上臺(tái)階開(kāi)挖后，收斂速率突增，最高達(dá)到了17.9 mm/d，累計(jì)收斂量達(dá)到了93.6 mm。一周時(shí)間后，收斂速率降低，下臺(tái)階開(kāi)挖后，有短暫回升，最終仰拱施作后，速率明顯降低，收斂增長(zhǎng)平緩。SL2收斂曲線在下臺(tái)階開(kāi)挖后，收斂速率急劇增加，最高達(dá)到17.7 mm/d，之后增長(zhǎng)速率逐漸降低，增長(zhǎng)平緩。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiàn)表 2。

由表2中4個(gè)擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2皆趨近于1，可看出曲線相關(guān)性較好，可以用來(lái)預(yù)測(cè)斷面最終周邊收斂情況，為隧道預(yù)留變形量的設(shè)計(jì)提供參考，則斷面1和斷面2的預(yù)測(cè)最終累積收斂值分別為69.11 mm、108.68 mm。

3.3 炭質(zhì)板巖地層隧道圍巖變形特征

結(jié)合金口河隧道炭質(zhì)板巖IV、V級(jí)圍巖段其余較具代表性監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)變形情況（表 3），可得出研究段炭質(zhì)板巖地層變形特點(diǎn)主要有：

（1）初期變形速率大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。ZK67+720～ZK68+210段炭質(zhì)板巖地層斷面圍巖在開(kāi)挖前期圍巖變形速率基本為10～20 mm/d，且持續(xù)時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)。

（2）變形主要由上臺(tái)階部分承擔(dān)。根據(jù)表3中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工的隧道，IV級(jí)圍巖段上臺(tái)階開(kāi)挖引起的圍巖位移達(dá)到了總位移的70%～80%，V級(jí)圍巖段普遍達(dá)到90%左右，表明開(kāi)挖引起的圍巖的應(yīng)力釋放主要集中在上臺(tái)階施工階段，因此，應(yīng)盡量減少施工間隔時(shí)間。

（3）洞周收斂大于拱頂沉降。綜合所監(jiān)測(cè)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(cè)墻侵限的問(wèn)題，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)側(cè)墻支護(hù)的設(shè)計(jì)。

（4）受開(kāi)挖擾動(dòng)影響大。由變形監(jiān)測(cè)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(tái)階開(kāi)挖初期，在下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，變形也會(huì)出現(xiàn)短暫激增，表明開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)圍巖變形會(huì)產(chǎn)生較大影響。

（5）受?chē)鷰r條件影響明顯。根據(jù)IV、V級(jí)圍巖典型斷面變形情況的對(duì)比，可以看出，當(dāng)同樣采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工時(shí)，V級(jí)圍巖條件下的拱頂沉降及洞周收斂都要明顯大于IV級(jí)圍巖條件。因此，針對(duì)地質(zhì)條件較差的區(qū)段，可以考慮采用適當(dāng)加大預(yù)留變形量以及加大二襯厚度（原厚度的15%～20%），控制隧道結(jié)構(gòu)整體變形，保障隧道建設(shè)安全。

4 結(jié)論

基于隧道施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了炭質(zhì)板巖地層隧道IV、V級(jí)圍巖段采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工過(guò)程中的圍巖變形特征，獲得了幾點(diǎn)結(jié)論：

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

（2）炭質(zhì)板巖段隧道拱頂最終累積沉降量只達(dá)到洞周最終收斂量的60%～90%，表明相較于拱頂沉降，更要加強(qiáng)對(duì)隧道兩側(cè)支護(hù)受力變形狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，保障結(jié)構(gòu)安全。

（3）圍巖變形速率的激增主要發(fā)生在上臺(tái)階與下臺(tái)階開(kāi)挖前期，說(shuō)明圍巖變形受開(kāi)挖影響較大，因此，在每部分開(kāi)挖前后，要加強(qiáng)對(duì)隧道、圍巖受力變形狀態(tài)的監(jiān)測(cè)控制，選擇合適的開(kāi)挖時(shí)機(jī)與進(jìn)尺。

（4）采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工時(shí)，斷面變形在V級(jí)圍巖條件下普遍大于IV級(jí)圍巖。在V級(jí)圍巖中施工時(shí)，應(yīng)更加重視對(duì)隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的控制，可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和回歸分析結(jié)果，選擇合適的二襯施作時(shí)期，采取適當(dāng)增加預(yù)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(jié)構(gòu)整體變形，保障隧道施工安全。

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