連拱隧道地質超前預報及監(jiān)測分析
2015-06-11
1前言
對于大多數隧道來說，通常圍巖的性質不能改變，隧道的穩(wěn)定性能主要取決于隧道的支護體系[1]。而高速公路隧道的特點是斷面大、隧道長，隧道掘進面前方和洞口的不良地層條件極易引起隧道塌方、涌水等災害的發(fā)生[2]，因此，專業(yè)的地質工程技術人員對于圍巖和支護應力變化的監(jiān)控量測、地質超前預報及隧道的動態(tài)設計施工，保證隧道的安全施工意義重大。
隧道施工地質任務包括長短期超前地質預報、隧道圍巖類別的進一步準確鑒別、施工中重大地質災害的監(jiān)測、判斷和防治建議以及針對圍巖的不同地質條件提出相匹配的施工方法和施工技術建議[3]。通過對量測數據的整理和分析所得到的信息及時反饋到設計和施工中，以進一步優(yōu)化設計和施工方案，實現(xiàn)安全、經濟、快速施工的目的[4]。而合理有效的超前地質預報能極大地減少塌方、突水、突泥等地質災害，保證施工的順利安全進行，同時極大地降低工程成本[5]。
2楓樹嶺隧道工程地質概況
浙江某高速公路楓樹嶺隧道長422m，其中明洞25米，暗洞397米，明洞按明挖施工，暗洞按新奧法施工。隧道由出口端開始施工，當時左洞前247m已完成二襯施工，右洞前65m以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖石破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，地形以陡坡地形為主。預報前施工至隧道中段圍巖以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，地形以高山山頂地形為主，巖體節(jié)理裂隙稍發(fā)育，局部巖石較破碎。
該隧道進洞口段地形坡向北西，坡度10～15度，上部分布零星殘積亞粘土，以下為凝灰?guī)r，洞頂埋深5～20米。3倍洞徑內主要圍巖為全、強、弱風化層，圍巖穩(wěn)定性較差，地下水貧乏，雨季沿裂隙滲入出現(xiàn)滴水或溢流現(xiàn)象。洞口自然邊坡平穩(wěn)。
出洞口段地形坡向東，坡度25～30度（局部較陡），基巖裸露，基巖為凝灰?guī)r，洞頂埋深0～33米。3倍洞徑內主要圍巖為全、強、弱風化凝灰?guī)r。圍巖穩(wěn)定性差，地下水接受大氣降水補給，水量貧乏,沿裂隙滲入隧道而出現(xiàn)滴水或溢流現(xiàn)象。洞口地段自然邊坡較陡。
洞身地段，以陡坡地形、高山山頂地形為主。坡面基巖出露較多，靠近洞口地段圍巖穩(wěn)定性較差中部穩(wěn)定性一般，風化裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖體呈角（礫）碎（石）狀，主要以弱風化層為主，地下水類型以基巖裂隙水為主，沿裂隙滲入隧道而出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。
3隧道施工監(jiān)測
本文結合雙連拱隧道施工工藝特點，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測來判斷圍巖和隧道的穩(wěn)定狀態(tài)、保證施工安全、指導施工順序、進行施工管理、提供設計信息。監(jiān)測內容主要包括：初次襯砌、二次襯砌在內的支護體系的受力情況的監(jiān)測。
3.1襯砌上的監(jiān)測布置
由于雙連拱隧道存在著左、右洞開挖的相互影響，開挖的工序直接影響著隧道結構的穩(wěn)定性，其主要表現(xiàn)在初期支護和二次襯砌的應力變化上。初期支護應力監(jiān)測點選擇在隧道右洞一個斷面上（布置圖見圖1）。一個鋼筋計斷面和一個土壓力盒斷面。鋼筋計斷面布置在鋼拱架上主要測量鋼拱架內力的變化，土壓力盒斷面布置在圍巖和初襯之間，以監(jiān)測圍巖和初襯之間的壓力。二襯的應力監(jiān)測點選擇在隧道左洞一個斷面上（布置圖見圖2）。鋼筋計斷面布置在配筋上主要測量配筋的內力，土壓力盒斷面布置在初襯和二襯之間，以監(jiān)測初襯和二襯之間的壓力的變化。
3.2初襯應力監(jiān)測具體布置與結果分析
可以看出初襯斷面安裝的土壓力盒在監(jiān)測初期左右拱部均產生了明顯的波動現(xiàn)象，這與人為擾動和施工等因素有關，后期隨著應力的逐漸調整可以明顯看出三測點初始壓力均有不同程度的增加，說明初襯正在發(fā)揮其承載能力，壓應力總的變化趨勢是隨時間的推移而減小，認為是隨著變形的發(fā)展，圍巖的自承能力不斷發(fā)揮，因此初期支護結構的應力趨于減小并穩(wěn)定。這與隧道所采用的“新奧法”的思路是一致的，說明施工工藝及所采用的支護形式是恰當的。
可以看出初襯斷面埋設的三測點鋼筋計所得出的應力變化值在目前監(jiān)測時期內均呈緩波狀起伏且變化趨勢基本一致，均為受壓狀態(tài)且兩拱部鋼拱架軸力大于拱頂的鋼拱架軸力，這與圍巖變形的發(fā)展有關。但監(jiān)測出的三測點剛拱架軸力較小相對于鋼拱架可以忽略不計，因此可以認為在此處的圍巖基本穩(wěn)定，沒有太大的變形。
3.3二襯應力監(jiān)測具體布置與結果分析
可以看出二襯斷面埋設的5個測點的土壓力盒在監(jiān)測初期均向壓應力增大方向發(fā)展，后隨著應力的逐漸調整可以明顯看出測點的壓力均逐漸的趨于穩(wěn)定且在較長時間內穩(wěn)定的發(fā)展，說明圍巖二襯的受力已趨于穩(wěn)定。
可以看出二襯斷面埋設的五個測點鋼筋計所得出的應力變化值在目前監(jiān)測時期內均呈波動起伏且變化趨勢基本一致，先為受拉狀態(tài)后轉為受壓，最后壓應力在一段時間突然增大。這與隧道圍巖變形的發(fā)展以及后續(xù)右洞的施工引起的應力重分布有著密切的關系。表明二次襯砌施作時圍巖尚未完全穩(wěn)定，應進一步優(yōu)化施工方案；同時應注意施工先后對洞室穩(wěn)定的影響，密切關注監(jiān)測數據的突變。
4地質超前預報
楓樹嶺隧道地形以陡坡地形為主，左洞埋深較淺施工過程中為防止產生偏壓對隧道的穩(wěn)定性產生不利的影響，右洞停止施工，先進行左洞初襯的施工，左洞二襯逐漸跟進，待左洞進展到一定程度待支護體系已基本完成右洞再繼續(xù)進尺。但由于左洞埋深較淺，基巖裂隙較發(fā)育，又由于當時雨水較大，雨水由裂隙滲入隧道對圍巖的穩(wěn)定性產生了極其不利的影響，在進尺過程中掌子面出現(xiàn)了不利的節(jié)理組合以及不利的圍巖組成形式，按照工程地質調查與推斷的地質超前預報方法，通過對掌子面的地質素描及地質分析對可能出現(xiàn)的問題做到了及時準確有效的超前預報。
4.1 K94+990斷面地質超前預報
在隧道左洞掌子面樁號開挖到K94+990，通過對掌子面的素描及地質分析發(fā)現(xiàn)：該段埋深約87m，掌子面巖體較破碎，以紅褐色凝灰?guī)r為主，有滲水現(xiàn)象，巖石強度較低，表面光滑有油膩感，手折易斷，遇水易軟化。掌子面下部和中部均夾有約0.4～1m的巖體已有明顯的泥化現(xiàn)象，初步判斷可能為風化殼。掌子面節(jié)理發(fā)育，節(jié)理間夾白色鈣質方解石脈。右洞壁距離掌子面5m處有局部滴水現(xiàn)象。
根據對掌子面的分析給出了以下建議：該段節(jié)理較發(fā)育，掌子面前方可能仍在一定范圍內存在類似的風化殼，強度較低，泥化夾層可能延伸至洞頂，容易導致塌方，因此，施工時應有超前支護措施，并及時進行初期支護，適當增加錨桿長度及數量，并采取必要的安全措施，同時加強施工監(jiān)測，在掌子面前方圍巖開挖后，需進行洞內觀察，及時采取相應措施，避免發(fā)生工程事故。之后施工方采用了工程技術人員的建議，及時采用了剛拱架的初期支護方案保證了工程的順利進行。
4.2 K94+954斷面地質超前預報
當隧道掌子面進展到K94+954時，根據掌子面的情況發(fā)育有四組主要的節(jié)理①②③④（見圖8），從掌子面可以看到節(jié)理①被節(jié)理②所切斷，在洞頂有5cm左右的錯距，這種錯斷的節(jié)理在掌子面右部導致巖塊塌落；
節(jié)理④和節(jié)理①②在掌子面中上部相交，形成極其不利的節(jié)理組合，其下部的人字形節(jié)理組合十分容易產生掉塊；上部V字形節(jié)理組合由于傾向掌子面外部，在爆破震動、鉆孔震動或裂隙水浸泡軟化結構面時，出現(xiàn)小塊巖石塌塊。
節(jié)理③和節(jié)理①②均有不同程度的組合交切，這導致掌子面中下部圍巖比較破碎，在鉆孔時中部的破碎巖石有掉塊現(xiàn)象。
而掌子面頂部的紅色軟弱夾層貫穿整個洞頂，由于其工程性質十分差，現(xiàn)在雨水又較多基巖裂隙水滲入隧道,對洞頂軟弱夾層的穩(wěn)定性產生極其不利的影響，已經出現(xiàn)直徑20cm的巖塊塌落。
根據掌子面情況技術人員給出的預報結果和建議是：
1） 在掌子面前方，節(jié)理②和節(jié)理①組合有可能繼續(xù)發(fā)展并切割，形成危險的節(jié)理組合，極可能產生掉塊；而紅色軟弱夾層有向洞內發(fā)展的趨勢，其自穩(wěn)能力十分差，因此施工時，必須注意觀察其發(fā)展趨勢，注意洞頂由此引發(fā)的掉塊，建議實施錨桿超前支護；
2） 節(jié)理④和節(jié)理①②的不利組合在掌子面前方仍會發(fā)育，這種不利的節(jié)理組合對圍巖穩(wěn)定性有一定影響，在施工時，注意觀察基巖裂隙水情況，并注意節(jié)理張開度，防止掉塊；
3） 節(jié)理③和節(jié)理①②在前方掌子面左側可能仍然會形成不利的節(jié)理組合，巖體會比較破碎，當節(jié)理③的長度在前方掌子面增大，并有向上延伸時，要注意掉塊；
4） 該隧道巖體十分破碎，圍巖初襯支護必須緊跟，當軟弱層遇到大型巖塊時，必須采取特殊的處理措施；爆破后，要及時、徹底的進行排險工作。同時工程技術人員需認真進行洞內觀察，隨時通知施工方及時采取相應措施，避免發(fā)生工程事故。
通過施工的實際情況來看，工程技術人員的地質超前預報在大多數情況下符合前方圍巖發(fā)育的實際情況，由于預先進行了預測預報，既保證了施工的安全進行，同時對潛在的安全事故未雨綢繆，意義重大。
5結論及建議
根據以上對楓樹嶺隧道的監(jiān)控量測及地質預報的分析可以得到以下結論：
1） 楊嶺隧道圍巖和初襯之間的壓力變化基本不大，初襯支護措施起到了應有的效果，圍巖應力重新分布對圍巖穩(wěn)定性的不利影響較小；
2） 楊嶺隧道初襯和二襯間受力較小，且在較短時間內就可趨于穩(wěn)定，配筋的軸力變化在一定時間內變化較大，這與隧道圍巖變形的發(fā)展以及后續(xù)隧道的施工引起的應力重分布有著密切的關系，可結合監(jiān)測數據的分析，動態(tài)施工，優(yōu)化設計施工方案；
3） 根據對掌子面的分析，該隧道巖體十分破碎，
支護措施必須緊跟，當軟弱層遇到大塊巖塊時，必須
采取特殊的處理措施；爆破后，及時、徹底的進行排險工作。同時需結合掌子面觀察，采用工程地質調查與推斷的超前預報方法，及時對施工前方的圍巖狀況做出相應預測，并及時采取相應措施，確保施工安全。
4） 連拱隧道的施工，由于雙洞開挖有先后，因此后開挖洞室對先開挖洞室穩(wěn)定性的影響較大，必須結合圍巖實際情況，合理優(yōu)化先開挖洞室的二襯施工時間和后開挖洞室開挖時間，確保洞室穩(wěn)定。
