河惠莞高速公路佳龙嶂隧道浅埋段围岩变形分析

周 杰， 董建辉， 邱洪志

(1.西华大学 土木建筑与环境学院， 四川 成都 610039；2.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，在我国的山地公路或铁路隧道建设中，浅埋的山岭隧道较为常见[1].就浅埋隧道而言，其显著特点就是埋深浅，围岩自稳性差，不能有效形成应力拱，隧道开挖后初衬可能会承受巨大的围岩压力，如果支护设计不足或施工操作不当，则易发生垮塌等安全事故[2-3].相关研究表明，在浅埋隧道施工过程中，影响围岩变形的因素众多，致塌机制复杂，加上基础资料匮乏，导致隧道的施工安全控制难度极大[4-8].对此，本研究拟通过对河惠莞高速公路佳龙嶂隧道冲沟浅埋段隧道开挖过程中拱顶下沉及周边收敛监测数据进行分析，探讨浅埋隧道在开挖过程中的变形规律，拟为类似工程施工提供指导.

1 工程概况

1.1 工程概述

广州河惠莞高速公路佳龙嶂隧道为双线分离式隧道，两隧道间距约30 m.隧道地址位于低山地貌沟谷斜坡区域，隧道走向近乎垂直于山脊走向，隧道岩体主要为全风化～微风化花岗岩.隧道里程桩号YK126+180～YK126+244段穿越冲沟浅埋段，其埋深仅8 m左右，表层为厚0.2～0.5 m的腐殖土.地层从上到下依次为粉质黏性土及全风化花岗岩、强风化花岗岩、中—强风化花岗岩，岩体含有地下裂隙水.隧道浅埋段地质情况如图1、2所示.

图1佳龙嶂隧道浅埋段地质断面图

图2佳龙嶂隧道I-I剖面图

1.2 隧道浅埋垮塌处概况

在实际工程建设中，隧道按CD开挖法掘进，2017年6月27日凌晨1∶00，当隧道开挖至冲沟浅埋段YK126+237处时，右隧道左导洞拱顶发生塌方，此后拱顶间断塌落，15 h后隧道已冒顶，地面形成了一个直径约5 m的坑洞，总塌方体积约180 m3，具体如图3所示.

图3现场塌方示意图

2 隧道变形监测分析

2.1 监控量测方案

本研究通过对隧道洞内监测断面YK126+244与YK126+260监测数据的分析，探究浅埋隧道的围岩变形规律.隧道洞内监控量测布点方案为：在拱顶下沉及周边位移监测中，监测断面按间距5～30 m不等埋设，因隧道冲沟浅埋段围岩稳定性较差，所以适当加密布置，每隔5 m布设一个断面，每个断面增设下沉拱顶监测点A′、C′和拱腰位移监测点b′.由于隧道开挖采用了CD法施工，当先开挖左导洞上台阶时，布设拱顶下沉监测点A′、A、C′以及位移监测b-b′测线；随后开挖右导洞上台阶时，布设拱顶下沉监测点B、C及周边位移b′-b测线，原监测点A′、C′及测线b-b′停止监测；开挖下台阶后，布设a-a测线.隧道洞内测点布置如图4所示.

图4隧道洞内监控量测布点图

2.2 监测数据分析

在实际监测时，隧道洞内监测点在下一开挖循环前完成布设并测取初始读数.根据现场监测数据绘制位移时程曲线图和位移速率时程曲线图，当位移—时间曲线出现反弯点时或速率曲线图上升时，表明围岩和支护状态不稳定，需及时加强支护，采取各种安全措施，必要时停止掘进.

2.2.1 变形与时间分析.

隧道冲沟浅埋段监测断面YK126+244和YK126+260的拱顶下沉和周边位移时程曲线如图5～8所示.

图5 YK126+244断面拱顶下沉位移曲线图

图6 YK126+244断面拱顶下沉位移速率曲线图

图7 YK126+260断面拱顶下沉位移曲线图

图8 YK126+260断面拱顶下沉位移速率曲线图

1)监测断面YK126+244离坍塌位置纵向距离约7 m，受其影响最大，时程曲线大致可分为3个阶段：加速变形阶段(AB段)，隧道刚开挖成形，围岩应力分布发生急剧变化，拱顶下沉曲线表现出相对较大的斜率，但随着时间的延续，变形逐渐趋于正常状态，位移速率有所减缓，表现出减速变形的特征，该阶段持续时间长达14 d，拱顶位移量达到24.0 mm，最大位移速率达到4 mm/d，洞身收敛b位移量达到7.2 mm，最大收敛速率达到1.4 mm/d；等速变形阶段(BC段)，在初始变形的基础上，在重力作用下，拱顶围岩基本上以相近的速率继续变形，因不时受到外界因素的干扰和影响，其变形曲线可能会有所波动，但此阶段累积位移曲线总体趋势为倾斜直线，宏观变形速率基本保持不变.该阶段中位移量达到34.6 mm，最大位移速率达到1.2 mm/d，洞身收敛位移量达到7.2 mm，最大收敛速率达到1.2 mm/d；平稳变形阶段(CD段)，围岩应力分布基本达到平衡状态，下沉曲线呈现出较小的斜率，位移速率曲线总体平缓，不断减小，该阶段中拱顶位移量达到37.0 mm，最大位移速率达到0.3 mm/d，洞身收敛a位移量达到6.0 mm，其中最大位移速率达到0.4 mm/d，表明围岩变形已基本稳定.前两阶段围岩变形量占观测期间总变形量的93%，因此需重点关注该两个阶段的围岩变形.

2)监测断面YK126+260在加速变形阶段持续时间为6 d，拱顶位移量达到10.2 mm，最大位移速率达到3.6 mm/d，洞身收敛b位移量达到4.2 mm，最大收敛速率达到1.3 mm/d；在等速变形阶段期间，拱顶下沉变形速率突然呈现出不断加速增长的趋势，直至6月27日围岩失稳之前，变形速率曲线近于陡立，达到了3.0 mm/d，说明加速变形阶段是围岩失稳发生的基础和前提，因此拱顶围岩的加速变形阶段对于隧道失稳变形的预警预报具有十分重要的意义；坍塌稳定后变形速率逐渐减小进入平稳变形阶段，该阶段中拱顶位移量达到35.6 mm，最大位移速率达到0.3 mm/d，洞身收敛a位移量达到8.6 mm，其中最大位移速率达到0.2 mm/d，表明围岩变形已基本稳定.

2.2.2 变形与开挖进尺分析.

隧道掌子面里程与监测断面YK126+244拱顶下沉关系曲线图如图9所示.

因掌子面YK126+237坍塌停工，监测断面的围岩得到了充足的变形时间，根据位移速率曲线图可知已基本稳定.待到7月15日继续掘进时， 下沉曲线继续缓慢增加，此时该断面的拱顶下沉变形主要由掌子面的推进所引起的，掌子面推进到YK126+206后，下沉曲线总体上呈水平，不再增加，表明从YK126+244到YK126+206间的38m隧道掘进对其拱顶下沉有影响.同样，YK126+260断面的拱顶下沉曲线在掌子面开挖至YK126+215后基本水平，此时距离YK126+260监测断面45 m.总体说明掌子面的推进将对距掌子面约40 m范围内的周边围岩变形产生持续影响.

图9开挖进尺与监测断面YK126+244拱顶下沉关系曲线图

3 结 论

本研究通过具体工程实例，分析了浅埋隧道在掘进中周边围岩的变形情况，得出如下结论：

1)YK126+237坍塌分别发生在监测断面YK126+260的等速变形阶段和YK126+244的加速变形阶段，YK126+244在加速变形阶段的速率减小趋势明显小于YK126+260，加之YK126+260在等速变形阶段的突然加速变形，综合起来可作为隧道失稳变形的预警预报.

2)浅埋隧道开挖过程中，掌子面的推进将对后方约40m范围内的周边围岩变形产生影响，开挖时应持续关注该范围内的围岩变形情况.

3)浅埋隧道围岩变形曲线图大致可分为加速变形、等速变形和平稳变形3个阶段.围岩的主要变形发生在前2个阶段，在该阶段隧道最容易发生失稳塌方、冒顶等事故，因此，在实际工程中应重点监测.