穿越断层破碎带公路隧道现场监测与分析

陶建军　 陈 浩 　孙振华,　 陈 航 　袁霈龙

(1.绍兴交通投资集团有限公司，浙江 绍兴　312000；　2.长安大学公路学院，陕西 西安　710064；3.中铁隧道局集团有限公司杭州公司，浙江 杭州　310030；　4.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安　710065)

断层破碎带是隧道施工过程中最为常见的不良地质情况，同时断层破碎带也是隧道围岩最不稳定的区域之一[1-3]。断层破碎带在隧道开挖过程中存在围岩强度低、围岩变形大、透水性强与围岩受力复杂等特性，这些往往都是造成隧道围岩失稳变形的关键因素。因此，对断层破碎带中隧道围岩的受力与变形进行研究就显得极为重要。目前国内外对断层破碎带隧道施工进行了大量的研究，在断层破碎带中隧道的施工技术方面积累了一定的经验[4-10]。其中，采用现场监测技术研究隧道围岩在断层破碎带中的受力变形是最为直观可靠的研究手段。

本文以新建杭绍台高速公路高湖头隧道为依托，选取典型断面埋设监测元件对隧道穿越断层破碎带时围岩变形与支护受力进行现场监控量测，分析研究隧道支护结构在断层破碎带中的受力与变形特征，评价支护效果，并将监测结果反馈到隧道施工过程中。

1　依托工程概况

杭绍台高速公路高湖头隧道位于浙江省绍兴市嵊州盆地北缘，是一条左右分离的双向四车道特长隧道，左洞长4 095 m，右洞长4 110 m，隧道最大埋深约448 m。隧道进出口段围岩主要为白垩系下统朝川组的凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩，洞身段围岩主要为白垩系下统西山头组的晶屑凝灰岩。

隧道受丽水—余姚深断裂的作用，隧址区内断层和节理发育，揭露有7条断层，都与路线大角度斜交。断层带内岩石受构造作用强烈，呈碎石土状～碎裂状不等，岩石硅化，构造角砾岩化，岩石完整性差。沟谷及构造发育处及附近节理裂隙贯通性较好，渗透性较大，水文地质条件较为复杂，地下水较为丰富。

隧道采用新奥法开挖，初期支护采用25 cm厚的C25喷射混凝土与3.5 m长的φ25先锚后灌式注浆锚杆，并辅以A6钢筋网与18号工字钢；二次衬砌采用45 cm厚C30模筑混凝土。

2　现场监控量测

选取隧道右洞YK62+110为监测量测的断面，根据地勘资料可知，该断面为隧道穿越F9断层破碎带的一个典型断面。

2.1　监测项目

此次隧道穿越断层破碎带施工监控量测项目有拱顶沉降、周边收敛、围岩压力、围岩与二衬之间的接触应力与初支混凝土应力5项，系统开展的支护结构受力具体如表1所示。

表1　高湖头隧道支护结构受力监测项目及频率

2.2　测点布置

2.2.1拱顶沉降与周边收敛测点布置

根据《高湖头隧道监控量测方案》，拱顶沉降与周边收敛点具体埋设如图1所示，其中1号点埋设在拱顶，用于测试拱顶沉降；2号、3号点埋设于同一水平线上。

2.2.2支护结构受力监测点布置

支护结构受力监测点布置如图2所示，分别在隧道拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚与拱底布设8个点，图3为现场埋设测量元件图。

3　监测结果分析

3.1　围岩位移

图4为拱顶沉降与周边收敛位移图，从图4中可以看出：

隧道拱顶沉降可分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段；周边收敛可分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段。上台阶开挖后，隧道洞内净空位移迅速发展，拱顶沉降的增长速率要高于周边收敛；拱顶沉降与周边收敛分别在第10天与第8天进入了缓慢增长的阶段；当隧道左下台阶开挖时，拱顶沉降又急剧增大，而周边收敛速率基本不变，说明左下台阶开挖对隧道拱顶沉降有较大的影响，对周边收敛几乎无影响；隧道右下台阶开挖与仰拱回填对隧道净空位移的影响不大；此后隧道净空位移基本进入了稳定阶段，增长速率基本为0，隧道围岩达到稳定状态。该断面最终的拱顶沉降为18.2 mm，周边收敛为11 mm。

隧道拱顶沉降在急剧增长阶段已完成了最终位移的68.69%，周边收敛在急剧增长阶段已完成了最终位移的81.82%。而隧道在仰拱回填后的净空位移已完成了最终位移的95.6%与99.1%。由此可知隧道开挖后应尽快完成初支支护，以控制围岩早期变形发展过快。

3.2　围岩压力

图5，图6为围岩压力随时间变化曲线图与空间分布图。

从图5，图6中可以发现，围岩压力随时间大致可以分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段。隧道拱顶围岩压力最大，达到304 kPa，断层破碎带中拱顶围岩岩性较差，在洞顶处产生较大的竖向位移，并给拱顶初支带来了较为明显的围岩压力；右拱肩处围岩压力要大于左拱肩，具有明显的偏压现象，这是因为断层破碎带与隧道斜交，左右侧围岩岩性有较大区别；其他部位围岩压力较小。

3.3　初支与二衬接触应力

图7,图8为接触应力随时间变化曲线图与空间分布图。

从图7，图8中可以发现，隧道初支与二衬的接触应力一般都分为急剧变化阶段—缓慢变化阶段—稳定阶段。隧道各个部位接触应力都在第15天～第16天达到稳定状态。接触应力在空间分布呈现三角形，拱顶与左右拱脚接触应力较大，这是因为隧道拱脚处二次衬砌混凝土相对拱部来说浇筑的较为密实，且隧道在拱脚处容易出现应力集中，所以呈现出拱部小拱脚大的分布。隧道拱部处二衬承担的围岩压力比例较小，这些部位的二衬受力较为理想，可以作为安全储备来考虑；隧道拱腰以下二衬承担围岩压力约在20%～50%，这跟二衬混凝土施工方式与隧道拱脚处应力集中有一定的关系。

3.4　初支混凝土应力

图9，图10为初支混凝土应力随时间变化曲线图与空间分布图。

从图9，图10中可以发现，初支混凝土应力随时间变化一般具有4个阶段，首先是喷射混凝土刚施工时应力随混凝土强度增大而急剧增长的阶段，在该阶段喷射混凝土强度与刚度迅速增大，开始大量承担围岩荷载，说明了初期支护喷射混凝土在隧道开挖后能够及时提供支持作用；其次是缓慢增长的阶段；再次是二衬施工后跳跃式的增长，这是因为二衬施工对初期混凝土有扰动；最后是二衬混凝土开始分担围岩荷载，初支混凝土应力缓慢回落直至稳定的阶段。

隧道各部位初支混凝土应力最终值都处于受压状态，且都没有超过C25混凝土的极限抗压强度，处于较为安全合理的受力状态。最大混凝土应力出现在拱顶处，为9.92 MPa。该断面初支混凝土应力空间分布与围岩压力空间分布较为接近，说明了各部位的喷射混凝土与围岩紧密相贴，都发挥了各自的强度来承担荷载。

4　结语

1)隧道的拱顶沉降可分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段；周边收敛可分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段。隧道在断层破碎带中施工时，由于断层破碎带中岩性较差，隧道上台阶开挖后，隧道断面净空位移进入急剧增长阶段，在该阶段产生的位移占了总位移的69%左右，所以在隧道开挖后要及时进行支护，稳定围岩，并应及早施工仰拱，使支护结构封闭成环。

2)围岩压力随时间大致可以分为急剧增长阶段—缓慢增长阶段—稳定阶段；最大围岩压力出现在隧道拱顶处；由于隧道与断层破碎带斜交，在断层破碎带与岩性交界处隧道围岩压力都出现偏压的现象，右侧围岩压力大于左侧，说明右侧围岩更为破碎软弱。

3)隧道初支与二衬的接触应力随时间大致分为急剧变化阶段—缓慢变化阶段—稳定阶段。接触应力在空间分布呈现三角形，拱顶与左右拱脚接触应力较大，这是因为隧道拱脚处二次衬砌混凝土相对拱部来说浇筑的较为密实，且隧道在拱脚处容易出现应力集中。由于隧道与断层破碎带斜交，隧道右侧接触应力要大于左侧，呈现出一定的偏压现象，其接触应力分布特征与围岩压力相类似。隧道拱部处二衬承担的围岩压力比例较小，这些部位的二衬受力较为理想，可以作为安全储备来考虑。

4)初支混凝土应力随时间变化一般具有4个阶段，即急剧增长阶段—缓慢增长阶段—二衬施工突变阶段—缓慢回落直至稳定阶段。隧道各部位初支混凝土应力最终值都处于受压状态，且都没有超过C25混凝土的极限抗压强度，处于较为安全合理的受力状态。初支混凝土应力空间分布与围岩压力空间分布较为接近，说明了各部位的喷射混凝土与围岩紧密相贴，都发挥了各自的强度来承担荷载。

5)从现场监测数据来看，隧道支护在断层破碎带中的变形与受力处于一个相对安全的状态，说明断层破碎带中隧道支护结构的强度已经足够，但在隧道上台阶开挖后必须立即紧跟支护，及时封闭围岩，尤其是对隧道拱顶部位，一定要加强支护参数与监测频率，以防拱顶处围岩出现较大的变形而出现施工灾害。