摘 要:本文以貴州某山嶺隧道為例,結(jié)合周邊收斂、拱頂下沉、地表沉降三者之間量測(cè)數(shù)值以及無(wú)損物探―地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果,分析隧道在淺埋條件下軟弱圍巖周邊收斂、拱頂下沉、地表沉降數(shù)值變化規(guī)律以及與地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果的對(duì)照分析,根據(jù)測(cè)設(shè)和探測(cè)結(jié)果進(jìn)一步為隧道施工提供合理的施工方案和安全的支護(hù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞:公路隧道 淺埋 變形觀測(cè) 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)
引言
近年來(lái),監(jiān)控量測(cè)在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用,其根據(jù)地質(zhì)鉆探資料布設(shè)觀測(cè)點(diǎn),但是,隧道地質(zhì)情況十分復(fù)雜,存在很多安全隱患,單一的監(jiān)控量測(cè),很可能不能及時(shí)地預(yù)測(cè)險(xiǎn)情,或者等到預(yù)測(cè)出來(lái)的時(shí)候,已經(jīng)不能及時(shí)采取防治措施阻止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,故本文采用監(jiān)控量測(cè)與無(wú)損物探―地質(zhì)超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的手段來(lái)研究圍巖的穩(wěn)定性。
1.變形觀測(cè)測(cè)點(diǎn)及地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置
隧道變形觀測(cè)斷面按照公路隧道規(guī)范及結(jié)合具體地質(zhì)情況布置,地表沉降量測(cè)的測(cè)點(diǎn)與周邊收斂和拱頂下沉量測(cè)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)在同一斷面上,Ⅴ級(jí)圍巖10m布置一個(gè)斷面,Ⅳ級(jí)圍巖15m~20m布置一個(gè)斷面,Ⅲ級(jí)圍巖30m~50m布置一個(gè)斷面,各量測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)靠近開挖面及時(shí)安裝,距掌子面距離控制在2m范圍之內(nèi),在實(shí)際的安裝埋設(shè)中,考慮到施工干擾或避免測(cè)點(diǎn)遭到破環(huán),測(cè)點(diǎn)布設(shè)的位置距開挖面遠(yuǎn)些。另做如下約定:進(jìn)口至出口方向定為X軸正方向,左右方向以隧道進(jìn)口至出口方向?yàn)閰⒄,隧道橫向自左至右定為Y軸正方向,垂直路面指向洞頂方向定為Z軸正方向,負(fù)號(hào)表示為拱頂向洞內(nèi)的下沉量、凈空向洞內(nèi)方向收斂量,地表沉降向隧洞頂方向的沉降量,正號(hào)則與之相反,洞內(nèi)拱頂下沉測(cè)點(diǎn),從左至右編號(hào)為1~3,地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用瑞典RAMAC―GPR(地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀)來(lái)探測(cè),探測(cè)范圍為掌子面前方20~25m,雷達(dá)測(cè)線以單洞同一橫斷面布設(shè)2條測(cè)線,測(cè)設(shè)斷面具體布置見圖2所示。
2.地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果分析
本文以某隧道出口K43+660~K43+560段為例,該段位于淺埋地段,埋深為15~27m,圍巖為全~強(qiáng)風(fēng)化板巖,呈鐵銹色,局部黃褐色,巖體呈碎裂狀和薄層狀結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙十分發(fā)育,表層為殘余坡積層,厚為3~7m,地處洼地,雨季易積水,易造成隧道內(nèi)基巖裂隙水發(fā)育,引起地表坍塌,本觀測(cè)組與2009年12月選取YK43+640斷面布設(shè)2條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線,同一條測(cè)線,分別從左至右,右至左探測(cè),以對(duì)比參照,看圖像是否重疊,保證采集信息準(zhǔn)確,具體測(cè)設(shè)地質(zhì)雷達(dá)圖像見圖3~4。
地質(zhì)雷達(dá)圖像結(jié)果分析:
1)圖3分析結(jié)果:掌子面前方8~10m范圍內(nèi),電磁波反射信號(hào)頻率低,振幅能量強(qiáng),同相軸錯(cuò)斷,初步判斷,掌子面前方10m的范圍內(nèi),圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,富含基巖裂隙水;在掌子面前方10m以后范圍內(nèi),信號(hào)頻率很低,同相軸連續(xù),只存在一處錯(cuò)斷,在后部存在能量較強(qiáng)的多次振蕩信號(hào),初步判斷此范圍內(nèi)含水或淤泥的軟弱夾層。
2)圖4分析結(jié)果:從圖像上可以看出,兩條測(cè)線對(duì)稱性很好,在掌子面前方4~6m后,電磁波信號(hào)頻率較低,振幅強(qiáng),存在能量較強(qiáng)的多次振蕩,初步判斷此范圍內(nèi)富含裂隙水或存在軟弱夾層。
綜合雷達(dá)圖像3、4測(cè)設(shè)結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)資料故預(yù)先建議掌子面后方圍巖宜采用短臺(tái)階法施工。
3.監(jiān)測(cè)斷面觀測(cè)數(shù)值分析
開挖后YK43+630~YK43+615段圍巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育,基巖裂隙水發(fā)育,巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu),掌子面中部至拱頂范圍內(nèi)有泥質(zhì)夾層,遇水軟化,綜合掌子面和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合分析,選取K43+620作為周邊收斂和拱頂下沉觀測(cè)斷面,故本文以該斷面為例,來(lái)闡述監(jiān)測(cè)數(shù)值內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系,以及為施工提供合理的防治措施和支護(hù)方案。
3.1 周邊收斂特征
圖5為斷面K43+620左右洞周邊收斂位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)對(duì)比圖,結(jié)合圖5可知,斷面K43+620右洞測(cè)線AB、CD和左洞測(cè)線EF、GH周邊收斂都往洞內(nèi)收縮,右洞測(cè)線AB累計(jì)收斂位移為17.82mm,測(cè)線CD累計(jì)收斂位移為6.45mm,左洞測(cè)線EF累計(jì)收斂位移10.13mm,測(cè)線GH累計(jì)收斂位移1.64mm,可以看出右洞周邊收斂位移大于左洞,左右洞上臺(tái)階收斂值明顯大于下臺(tái)階收斂值,說明周邊收斂值在淺埋條件下受圍巖水平應(yīng)力作用明顯,周邊收斂最大值發(fā)生在拱腳處。右洞測(cè)線AB從監(jiān)控開始至上臺(tái)階開挖工作面掘進(jìn)10m(7d)的范圍內(nèi),位移呈直線增長(zhǎng),此階段位移收斂量達(dá)總收斂量的70%~80%,從第12天開始右洞下臺(tái)階開挖,此時(shí)下臺(tái)階工作面距量測(cè)斷面約15m,測(cè)線AB收斂速率出現(xiàn)短期增大,當(dāng)下臺(tái)階開挖面掘進(jìn)距量測(cè)斷面后15m(5d)左右時(shí),測(cè)線AB基本穩(wěn)定,相比之下,右洞測(cè)線CD的收斂位移變化較小,從監(jiān)控開始到第12天左右累計(jì)收斂量達(dá)總收斂量的90%,之后幾乎沒有變化;左洞測(cè)線EF、GH收斂位移變化不明顯,從監(jiān)控開始之后9天左右收斂量達(dá)總收斂量的80%~90%,之后幾乎沒有變化;同時(shí),從圖5可以看出后期收斂值出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng),這是由于受施工環(huán)境的影響,如噴射混凝土、立鋼拱架、打錨桿等。綜上所述,距量測(cè)斷面前后15m的范圍內(nèi)對(duì)周邊收斂位移的影響較大,上臺(tái)階開挖對(duì)其的影響比下臺(tái)階開挖更明顯。
3.2 拱頂下沉特征
在一般情況下,隧道開挖后,由于產(chǎn)生了臨空面,圍巖應(yīng)力釋放,使得圍巖向洞內(nèi)發(fā)生位移,拱頂下沉量通常表現(xiàn)為負(fù)值,從圖6可以看出測(cè)點(diǎn)1、2、3拱頂位移向洞內(nèi)下沉,測(cè)點(diǎn)1累計(jì)下沉量為27.50mm,隧道中心線上測(cè)點(diǎn)2累計(jì)下沉量為33.90mm,測(cè)點(diǎn)3累計(jì)下沉了25.20mm,可以看出,拱頂下沉量最大位移發(fā)生在測(cè)點(diǎn)2,也就是隧道中心線上。從監(jiān)控開始到上臺(tái)階工作面掘進(jìn)15m(12天)左右,拱頂下沉由急劇變化趨于平緩,但從監(jiān)控開始的第13天下臺(tái)階開始開挖,下臺(tái)階工作面距監(jiān)測(cè)斷面約10m,此時(shí),從圖6可以看出測(cè)點(diǎn)1、2、3拱頂趨勢(shì)變化曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn),拱頂下沉變化速率明顯大于上臺(tái)階開挖,馬上建議立即停止開挖作業(yè),加強(qiáng)觀察,到下臺(tái)階開挖過監(jiān)控?cái)嗝婧?0m(6d)左右時(shí),拱頂下沉基本趨于正常變化,之后基本趨于穩(wěn)定。
3.3 地表沉降特征
地表沉降能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)隧道的整體下沉和偏移,能及時(shí)地判斷圍巖的穩(wěn)定性,特別對(duì)于軟弱圍巖淺埋隧道,其在監(jiān)控量測(cè)工作中比拱頂下沉和周邊收斂更為重要。地表沉降斷面K43+620布設(shè)日期為2009年12月15日,布設(shè)測(cè)點(diǎn)6個(gè),共觀測(cè)65天。由觀測(cè)結(jié)果得知,X方向、Y方向(上述有約定)隧道整體偏移量很小,主要發(fā)生Z方向的變形位移,結(jié)合圖7,因12月15日布置斷面,右洞上臺(tái)階開始開挖,此時(shí)開挖工作面距K43+620斷面為20m,測(cè)點(diǎn)1、2、6在從監(jiān)控開始5d內(nèi),位移變化不大,測(cè)點(diǎn)3、4、5位移變化趨勢(shì)相比測(cè)點(diǎn)1、2、6略大;從第6~20天內(nèi)因右洞上臺(tái)階工作面距量測(cè)斷面前后約10m范圍內(nèi),測(cè)點(diǎn)3、4、5沿Z方向位移速率明顯加劇,期間沉降位移達(dá)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)總位移的50~60%,之后,左洞上下臺(tái)階開挖使地表沉降位移在短期內(nèi)發(fā)生較大變化,但明顯沒有右洞工作面開挖影響大,從監(jiān)控開始30天之后地表沉降趨于穩(wěn)定,之后幾乎沒有變化。
3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)值分析小結(jié)
結(jié)合K43+620斷面周邊收斂、拱頂下沉及地表沉降數(shù)值,分析該斷面數(shù)值變化有如下特征:
1)左右洞凈空收斂上下臺(tái)階呈收斂趨勢(shì),周邊收斂最大位移發(fā)生在拱腳處,拱頂下沉發(fā)生在拱頂處;
2)圍巖變形在開挖7d內(nèi)變形較大,12d后基本趨于平穩(wěn),工作面影響范圍為監(jiān)控?cái)嗝媲昂?0m范圍內(nèi);
3)上臺(tái)階施工時(shí)對(duì)周邊收斂影響較大,下臺(tái)階開挖主要影響拱頂下沉;
4)在軟弱圍巖淺埋地段地表沉降位移變化趨勢(shì)比洞內(nèi)觀測(cè)項(xiàng)目變化趨勢(shì)要早,更能及時(shí)反應(yīng)險(xiǎn)情,利用有利時(shí)機(jī)盡快采取處理措施;
4.防治措施
根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控?cái)?shù)值綜合分析,為防止地表引起冒頂事故的發(fā)生,施工時(shí)采取如下防治措施:
1)地表采用φ42的注漿小導(dǎo)管注漿加固,同時(shí),修筑臨時(shí)排水溝,使雨季施工時(shí),積水能夠及時(shí)排出隧道頂層;
2)對(duì)洞內(nèi)小坍塌地段采用每層15cm厚C20噴射砼+φ8鋼筋網(wǎng)逐一支護(hù),錨桿采用6m長(zhǎng)φ25中空砂漿錨桿,間距150×150cm,呈梅花形布置。
3)每掘進(jìn)50cm架設(shè)I20a型工字鋼鋼拱架,每榀鋼拱架之間采用環(huán)向間距為80cm的φ22縱向連接鋼筋連接,拱架上掛雙層φ8@15×15鋼筋網(wǎng),及時(shí)噴射C20砼,厚為25cm。
4)在K43+630~ K43+590段,每榀鋼拱架拱腳處采用6根鎖腳錨桿進(jìn)行加固,采用I18工字鋼作為臨時(shí)仰拱,和隧道已經(jīng)布設(shè)的I20a工字鋼焊接,形成臨時(shí)閉合環(huán),以加強(qiáng)隧道整體穩(wěn)定性;
隧道實(shí)際掘進(jìn)過程中,因提前采取預(yù)防措施,K43+660~K43+560淺埋地段,未引起冒頂和大坍方等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,局部有小坍塌,施工方及時(shí)采取上述措施2,最終順利地掘進(jìn)完此段地質(zhì)情況較復(fù)雜的巖體。
5.結(jié)語(yǔ)
隧道內(nèi)地質(zhì)情況十分復(fù)雜,監(jiān)控量測(cè)有可能不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,故結(jié)合無(wú)損物探―超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段,預(yù)測(cè)前方巖體的巖性和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況,結(jié)合實(shí)際開挖地質(zhì)情況,為監(jiān)控量測(cè)提供合理地量測(cè)斷面,對(duì)于軟弱圍巖淺埋隧道尤為重要。結(jié)合周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降分析圍巖的變形,通過數(shù)值分析可以看出隧道是否發(fā)生整體下沉和偏移。周邊收斂、拱頂下沉及地表沉降單一數(shù)值分析具有偶然性,必須結(jié)合三者綜合考慮,三者之間相互影響,相互驗(yàn)證。
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