基于监测数据的软弱地层偏压隧道变形分析

颜富宇,朱自强,鲁光银,董 洁

(中南大学地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083)

0 前 言

目前,随着我国经济的快速发展,对道路等基础设施建设的需求越来越大,在许多地区进行浅埋隧道的施工难以避免。浅埋隧道在其洞口段常常存在偏压、上覆地层风化严重等不良因素,容易引起安全事故[1-2]。浅埋隧道变形监测对象主要是地表、围岩、初支和二次衬砌等方面。王祥秋等[3]对隧道进行了拱顶下沉和周边位移收敛监测,并对比数值模拟结果,总结偏压隧道围岩变形规律;徐望国等[4]对使用CRD开挖的浅埋偏压隧道进行围岩变形及结构内力检测;岳向红等[5]对松软地层暗挖隧道进行了现场监测,根据监测数据,总结围岩和支护系统的变形特征;朱小坚[6]依托锦所隧道项目,对隧道进行了沉降监测,并对数据进行统计分析,发现在采用双侧壁法开挖施工过程中,需要在第一个导洞施工时沉降量特别大,需要及时支护;杨波等[7]对浅埋偏压隧道的初支和二次衬砌进行检测,研究发现受力方面,存在偏压现象;王乐平[8]根据现场施工情况,对隧道围岩应力、边坡水平位移及支护变形等进行了监测;代树林等[9]通过对回头沟隧道地表及围岩变形进行监测,总结分析偏压隧道变形规律;徐剑波等[10]不仅对围岩变形监测,还对钢支撑压力、锚杆轴力进行了监测。

本文以杨梅隧道为研究对象,对地表下沉、周边位移收敛、拱顶下沉进行监测,对比分析地表下沉与拱顶下沉的关系,分析隧道及地表的变形特征,并根据现场情况提出洞口治理建议,为类似的浅埋偏压隧道安全施工提供依据。

1 项目概况

杨梅隧道位于吉安市安福县严田镇杨梅村附近,为一座分离式隧道。隧道左线起讫桩号为ZK54+850～ZK55+460,全长610 m。隧道右线起讫桩号为YK54+865～YK55+425,全长560 m。隧道区位于武功山隆起构剥蚀低山丘陵盆地的东南侧,属于构造剥蚀丘陵区,受萍乡—广丰区域断裂带构造控制,区内地层及山脉总体呈北东向伸展,隧道走向与山脊的走向成大角度相交,沿洞轴线最大地面标高约为364.20 m,地形起伏,隧道进洞口位于斜坡地段,山体自然边坡20°～30°,坡体被第四系覆盖层所覆盖,植被以根系发达的树木为主,通视条件较差;隧道出洞口位于山体斜坡地带,自然斜坡约为20°～30°左右,山体植被茂密,通视条件差。隧道区内微地貌发育,主要为山脊、山体斜坡及垭口。隧道区的地表水系发育,山坡多为雨季降水形成的季节性面流,沟谷地可能形成短暂季节性洪流。区内地表最大的水体为进洞口发育的山间溪流,水流量大。

2 围岩及仰坡变形

根据对现场实际情况的监测发现,在ZK54+865等断面拱顶快速下沉,最大日沉降量为13.6 mm,隧道中线左侧出现环向开裂,并有向拱顶延伸的趋势,地表出现裂缝,最大日沉降量为12.4 mm,地表裂缝。隧道稳定性较差,容易发生更大的裂缝,甚至发生坍塌等灾害。

3 失稳因素及处理措施

3.1 地层岩性

隧道所在区域主要泥盆系上统锡矿山组(D3x),岩性主要为页岩、灰岩。隧道区地层产状为100°～150°∠15°～35°,与隧道轴线呈大角度相交,岩性以较软岩为主,裂隙非常发育,岩体较破碎。在隧道进洞口全风化页岩夹灰岩及黏土,地形起伏,隧道进洞口位于斜坡地段,山体自然边坡20°～30°,坡体被第四系覆盖层所覆盖;隧道出洞口位于山体斜坡地带,自然斜坡约为20°～30°左右。

3.2 气象、水文条件

隧道所在地区属亚热带季风湿润气候。年平均气温17.7 ℃,7月平均气温28.9 ℃,1月平均气温5.9 ℃,年均降水量1 553 mm。隧道区的地表水系发育,山坡多为雨季降水形成的季节性面流,沟谷地可能形成短暂季节性洪流。区内地表最大的水体为进洞口发育的山间溪流,水流量大。

3.3 处理措施

根据现场调查发现掌子面揭露围岩为Ⅴ级围岩,风化严重,整体性及稳定性极差。洞口处岩性多为黏性土及全强风化页岩、灰岩层,力学性质差,遇水极易散化发生沉降、开裂、坍塌。在隧道施工时,由于受到应力作用和人类活动的影响,会对隧道安全施工产生不利影响,所以洞口施工采取了超前管棚等预支护。开挖施工后,根据现场观测发现拱顶下沉较大,地表也出现裂缝,对安全施工有很大影响。在此种情况下,应该暂停掌子面开挖,对洞内初期支护再次进行注浆补强,加强仰坡系统锚杆,加撑临时横撑及竖向支撑等。

4 监测内容及布置

根据量测结果进行综合判断.确定变形管理等级,据此指导施工,变形管理等级预警值按《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)中实测位移值不大于隧道极限位移值,并按其中表18.6.3位移管理等级进行判定,见表1。一般情况下,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1 位移管理等级

围岩稳定性判断是一项很复杂且重要的工作,必须结合具体工程情况,根据所测得的位移量、位移速度及变化趋势、隧道埋深、开挖断面大小等进行综合分析判断。当围岩位移速度较大时,将加大量测频率,加强监测。

为了及时跟踪浅埋洞口地段施工时对隧道顶部土体的扰动影响和判断隧道围岩稳定程度,本研究主要进行的监测项目有:地表下沉量测;隧道拱顶下沉量测;隧道周边位移量测。仪器设备为GM-52全站仪。地表下沉监控断面测点布置见图1,周边收敛及拱顶下沉监控断面测点布置见图2,其中A为拱顶下沉监测点,B和E为上台阶周边收敛监测点,C和D为下台阶周边收敛监测点。

图1 地表下沉监控断面测点布置示意图

图2 周边收敛及拱顶下沉监控断面测点布置示意图

5 监测结果

5.1 地表下沉变化

选取浅埋隧道偏压隧道进口段ZK+865断面地表下沉进行分析,地表下沉时程曲线见图3,剖面共七个测点,其中累计沉降值最大为148.5 mm。从监测曲线可以看出,第一阶段地表下沉较为缓慢,隧道还未开挖到该断面,对地表下沉影响较小;第二阶段,随着隧道的开挖,地表累计下沉突增,根据现场观察发现地表出现裂缝,下降速率最大16.4 mm/d。第三阶段,随着掌子面的推进,初支封闭成环和加固措施的实施,地表下沉速率减小,逐渐收敛。

图3 地表下沉变化曲线图

5.2 拱顶下沉

ZK+865断面拱顶下沉曲线见图4,累计拱顶下沉终值在152.4 mm左右,在监测的前10 d左右下沉量较大,累计沉降量约占总沉降量的81.4%,最大下沉速率14.2 mm/d,隧道内出现裂缝等现象。之后下沉速率逐渐减小,趋于稳定。

图4 拱顶下沉变化曲线图

5.3 周边收敛

从图5～图6可以看出,上台阶和下台阶周边收敛的趋势基本一致,最大值分别是29.3 mm和29.0 mm,周边收敛速率最大值均出现在布置监测点的第二天,分别为2.2 mm/d和2.5 mm/d。随着隧道的开挖,掌子面距离该断面越来越远,隧道初期支护封闭成环,周边变形越来越小,在监测后10 d左右逐渐趋于稳定。

图5 上台阶周边收敛曲线图

图6 下台阶周边收敛曲线图

5.4 对比分析

经过数据对比发现,累计拱顶下沉最大值大于地表累计沉降的最大值。为了更好的说明地表下沉和拱顶下沉的关系,对比了在2021年7月7日到2021年8月5日的地表下沉速率和拱顶下沉速率,见图7,两者速率变化的趋势基本一致,在这段时间段内,均是在7月15日附近速率达到最大,在15号之前速率较大,在达到最大值后速率逐渐降低,逐渐趋于零。根据数据可知,累计变形量由大到小顺序依次为拱顶下沉、地表下沉、周边收敛。整体而言,浅埋偏压隧道开挖对拱顶影响较大,对周边收敛的影响相对较小。在浅埋偏压隧道开挖过程中,应及时做好监测,尤其是在刚开挖后不久,应及时合理的加强措施支护措施,增强隧道整体的稳定性。

图7 下沉速率对比图

6 结 论

(1)监测数据表明:隧道地表沉降大致分为三个阶段,最大累计地表下沉为148.5 mm,最大地表下沉速率为16.4 mm/d;最大累计拱顶下沉为152.4 mm左右,最大下沉速率14.2 mm/d;上台阶和下台阶周边收敛最大值分别是29.3 mm和29.0 mm。

(2)通过对比分析发现,地表下沉与拱顶下沉变形趋势大致相同,累计变形量由大到小顺序依次为拱顶下沉、地表下沉、周边收敛。隧道浅埋偏压隧道开挖对地表和拱顶影响相对较大,对周边收敛的影响相对较小。

(3)隧道开挖后变形量较大,隧道内和地表均出现裂缝,应及时停止施工,增加临时加固措施,对洞内初期支护再次进行注浆补强,并进行地表注浆等措施。在采取措施后,变形均逐渐收敛,隧道整体趋于稳定。