强震后千枚岩隧道施工监控量测及分析

王 路，陈寿根

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

省道S302线北川曲山至茂县界段灾后重建工程曲山任家坪至禹里段漩坪隧道设计为单洞双向行车隧道，起讫桩号为K8+800～K9+870，隧道总长1 070 m，为长隧道。设计隧道纵面位于－2.852%下坡段。隧道平曲线位于直线接RR=2 000 m圆曲线接直线接RL=380 m圆曲线上。隧道净宽9.0 m，净高5.0 m。

隧址区属深切割构造侵蚀中～低山地貌区，隧道穿越斜坡平台部位，沿近东西向展布，地势总体为洞身较高，进出洞口较低，洞身处于斜坡平台部位。漩坪隧道岩性以千枚岩为主，灰色、灰绿色，千枚状构造，显微变晶结构、变余结构，主要矿物组成为绢云母、绿泥石、石英、钠长石，片理面具强丝绢光泽。隧道围岩体涉及地层为含角砾粉土、粉质粘土、块石、含粉土碎石、志留系中上统茂县群第一亚组千枚岩，节理较发育。

1 监控量测方案设计

1.1 监测的作用

新奥法作为一种全新的隧道施工概念，其基本原理是运用各种手段(开挖方法、支护形式、监控量测等)抑制围岩变形，最大限度地发挥围岩自身的承载能力，使隧道施工更安全、更经济，而其经济性与安全性就是通过现场监控量测所获得的围岩、支护系统的应变和应力信息及时反馈应用于隧道设计和施工中来实现的。因此，快速、准确地进行现场监控量测和信息反馈是应用新奥法施工的关键。监控量测有以下几点作用:

(1)掌握隧道断面的变形，判断围岩力学行为的改变，从而对围岩是否稳定做出评价;

(2)确定支护类型、参数和时间，以及支护结构的工作情况;

(3)探究围岩的变形规律，为二次衬砌的施作提供准确的时间;

(4)搜集量测数据为理论解提供对比，并为后续工作提供参考及积累经验。

1.2 监测项目的选定及要求

目前我国公路隧道施工过程中的监控量测可以分为必测项目和选测项目，参见表1。

表1 公路隧道监控量测项目

本隧道的监测项目主要为:地质和支护状态观测、周边位移和拱顶沉降。

1.2.1 地质和支护状态观测

地质和支护状态观测大致分为两大类:一是洞口周边及洞身浅埋段;二是洞内工段。洞口周边及洞身浅埋段的观测应该包含:洞口处边坡的稳定状态;地表开裂和变形情况;洞口近接既有建筑物所受到的影响。对洞内工段的观测更加全面细致，分为对掌子面的观测和对初支、二次衬砌的观测。首先，在爆破、出渣之后及时对掌子面进行观测，利用数码成像或绘制地质素描图进行记录，填写掌子面地质状况记录表，与勘察设计资料作比对，进而做出正确的评价。其次，还应对已施作锚喷支护的初衬、每一榀拱架的变形以及二次衬砌的工作状态进行详细记录。

1.2.2 周边位移和拱顶沉降

在隧道开挖之后，准确量测周边位移和拱顶沉降能够反映出围岩二次应力状态所发生的力学行为改变，判断隧道内空的稳定状态，从而为二次衬砌提供合理的施作时间。如果隧道变形超过允许值时，周边位移和拱顶沉降还能对其做出及时预警，正确指导现场的设计与施工。另外，量测周边位移和拱顶沉降所预埋的点位应在同一断面内。

1.3 监测使用仪器及监测频率

隧道内主要监控量测项目及量测频率参见表2[2]。

表2 主要监控量测项目及量测频率

1.4 监测实施方法

预埋监测点的布设应该根据断面形状、大小以及开挖方式而采取不同的形式，同时还应与施工现场的情况相协调。结合本项目的实际开挖情况，周边收敛位移和拱顶沉降的布点参见图1。

图1 隧道断面的测点布置

图2 拱顶下沉量测示意

测点埋设完成之后，量测点的初读数应在12 h内或下次爆破前完成。读数完成之后，应用醒目颜色喷漆喷于测点周围以示提醒，注意保护。量测时，将钢尺在拱顶测点作为标尺，后视点可设在稳定衬砌上，用精密水准仪进行观测，通过计算求出连续两次量测的拱顶高程，将前后两次量测的数据H'i、Hi相减得拱顶下沉值 ΔHi[3]。拱顶下沉的量测原理参见图2。

拱顶沉降与隧道施工共用高程控制网。对监测结果进行分析，可以得出单次沉降曲线，并可对其进行拟合，进而对最终沉降做出预测，指导施工。为使测量数据精确，消除温度造成的误差，应将所有仪器在隧道内静置10 min左右，并用温度计测定温度之后方可开始测量。

实测位移值U不应大于隧道的极限位移U0，并按位移管理等级施工[4]，参见表3。一般情况下，宜将隧道设计的预留变形量作为极限位移，而设计变形量应根据监测结果不断修正。

表3 位移管理等级

2 监测结果分析

取得足够的现场观测数据之后，可以绘制隧道变形的“位移－时间”图、“速率－时间”图。通过这些图表数据可较直观地反映出围岩变形情况并初步判断开挖后围岩是否趋于稳定。若不能趋于稳定，则需要根据的变形特点，采取不同的临时加固方案或永久加固方案[5、6]。

本文此处选取K9+245和K9+275两个比较有代表性的断面进行数据分析。监测结果参见图3～图8，每一数据均为三次测量平均所得。

结果显示，震后千枚岩隧道变形有如下特点:

“速率—时间”图显示，隧道开挖后短期内收敛速率较大，水平收敛速率通常达到10 mm/d左右，围岩处于急剧变形状态，毛洞自稳能力差，时间效应明显，但该收敛速率在初支后迅速趋于减小。同时开挖之后围岩变形持续时间较长，开挖之后所形成的临空面，即使有初支约束，变形也很难达到收敛状态，一般在埋点后3～4周基本趋向稳定。一些隧道施工中拱顶下沉量和水平收敛值在刚开挖的一周内完成90%左右[7]，而该千枚岩隧道在开挖一周后，变形量通常仅占总变形量的50%左右。

隧道在掘进过程中，上台阶正趋于稳定的围岩由于受到下台阶开挖的影响，变形加速特征较明显，如参见图7和图8。

图3 K9+245断面拱顶下沉速率—时间关系

图4 K9+245断面水平收敛速率—时间关系

图5 K9+275断面拱顶下沉速率—时间关系

图6 K9+275断面水平收敛速率—时间关系

图7 K9+245断面拱顶下沉位移—时间关系

图8 K9+275断面拱顶下沉位移—时间关系

强震后千枚岩隧道施工过程中，初支之后围岩变形量较大。累计平均变形量在80 mm以上，最大变形量在台阶结合处。另外，千枚岩遇水软化甚至泥化，容易出现大变形或者塌方等不良地质现象。

3 结束语

(1)由于监测断面处千枚岩节理较发育，风化严重，岩体自身的单轴抗压能力比较低，为极软岩。相对于其单轴抗压能力来说，断面处130 m左右的埋深对于此处岩体所产生的地应力已经很大，故初支之后变形较大。在下台阶开挖之后，围岩变形速率有一个阶跃提升的过程，但随后又趋于收敛，说明在此类围岩条件下，开挖对围岩的扰动很大，应严格执行回填注浆，及时施作仰拱以形成封闭环，减小隧道周边变形量。

(2)强震后千枚岩隧道应根据监控量测结果预留一定变形量，合理的变形量有利于发挥初期支护和围岩的自稳定性，对于防止初支破坏和护拱开裂以及控制工程成本都有重要意义。

(3)在岩土工程的问题中具有很多不确定性，影响工程的因素极多。在采取新奥法开挖隧道时，监控量测实时信息反馈就显得尤为重要。将实时监测运用到设计施工的动态管理当中是隧道建设必不可少的，通过数据的反馈以确定支护的类型和参数、初支的变形预留量，能够有效预防变形过大或者坍塌事故的发生，从而提高了隧道掘进的效率，保证了工期，同时为以后类似工程累积了经验。

(4)强震后千枚岩隧道应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。在监控量测指导下实施隧道的开挖与支护工作，开挖中应尽可能采取弱爆破，以减少对围岩的扰动。

[1]关宝树，隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社，2003

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