监控量测技术在公路隧道病害反演分析中的应用

张守成,关惠平,寇智勇,张照旭,丁石谷

(1.西南石油大学建筑工程学院,四川成都 610500;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106; 3.中国石油西气东输管道公司,上海 200122;4.中国石油西气东输管道公司豫鄂管理处,湖北武汉 430073)

0 引 言

随着我国公路、铁路的快速发展,新奥法(New Austrian Tunneling Method,NATM)在隧道施工中已得到广泛应用[1],其技术核心是运用不同的开挖方法、支护形式、测量及地层预处理等各种手段来控制隧道围岩变化,以最大限度地利用围岩自身的承载能力,并通过对现场量测数据分析来判断围岩变位稳定状态,以此修订和完善支护结构设计,使隧道施工更加安全[2,3].因此,在隧道开挖过程中通过对其围岩性状实施监测,并对监测数据进行分析和综合判断,是进一步指导施工、完善设计,保证施工安全和顺利进行的重要技术环节和过程.本文针对四川广元至巴中高速公路某隧道洞口施工过程中出现的工程病害,从地形与地质因素、气候因素、施工因素3个方面,分析了该隧道左线巴中端洞口施工中产生隧道边、仰坡失稳,隧道初期支护变形、开裂、渗漏等病害主要原因,并根据监控量测数据,反演了隧道病害发生全过程,总结了特殊地段公路隧道开挖方法与监控量测技术中需要特别注意的有关问题,为隧道施工及隧道监控量测提供可借鉴的科学依据.

1 隧道工程概况

公路工程施工隧道位于四川省巴中市巴州区,属双线越岭隧道,左线里程桩号为 K134+113～K134+884,右线里程桩号为YK134+120～YK134+ 914.隧址区地层可分为两大类:一类是第四系全新统崩坡积层(Qc+d14),另一类为白垩系下统剑门关组(K1j).第四系全新统崩坡积层(Qc+d14)主要分布在隧道进、出口段斜坡及洞身陡崖崖脚及斜坡一带,其岩性主要为褐红色、褐灰色的低液限粘土,多呈软塑～硬塑状,粘粒含量较高,局部可见碎石,其成分为砂岩和粉砂质泥岩.白垩系下统剑门关组(K1j)主要分布在隧道基底,岩性多表现为紫红色粉砂质泥岩及灰白色砂岩不等厚互层[4].

2 隧道监控量测断面布设原则

根据《公路隧道施工技术规范》(JT J042-94)和工程经验,隧道位移监测断面布设的纵向间距及平面图可参照表1所示.

表1 隧道位移监测断面布设间距及平面图

根据测点布设平面图,周边位移量测布设具体方法为:隧道上导坑开挖时布设1、2、3号测点,形成A、B、C 3条测线,下端面开挖时布设4、5点,形成D、E、F 3条测线,隧道采用全断面开挖时只需布设3、4、5测点即可.同时,拱顶下沉量测布设具体方法为:在3点位置处挂钢卷尺,通过水准仪及在隧道水准点竖水准尺,监测隧道拱顶下沉值.

3 隧道洞口病害及成因分析

3.1 隧道洞口病害综述

该隧道左线巴中端在进洞施工过程中,边、仰坡于2007年6月17日晚出现明显失稳、滑塌现象,洞顶截排水沟多处被拉裂,隧道边、仰坡砂浆锚杆挂钢筋网湿喷混凝土防护面层出现严重开裂剥落现象, ZK134+868断面和ZK134+860断面收敛变形急剧加大,洞口端ZK134+869～ZK134+862段初期支护出现较宽裂缝6条,喷护混凝土出现脱落,部分型钢钢架外露,洞内出现严重渗水.

3.2 隧道洞口病害分析

3.2.1 地形地质因素.

(1)隧道出口地形坡度稍缓,呈缓斜坡台阶状,总体坡度约为15°～20°,并被低矮灌木、杂草、树木覆盖,造成隧道地表排水困难.

(2)隧道出口端ZK134+804～869段为隧道浅埋地段,地层为第四系全新统崩坡积层(Qc+d14),主要为块碎石状低液限粘土,开挖后围岩自稳性差,易坍塌.尤其是隧道出口端ZK134+855～869,其最大埋深仅为7.5 m,处于塑性范围区,围岩主要为含块碎石粘土的松软散体结构,易受水影响浸泡软化、崩解,极易产生边仰坡裂缝、滑塌、失稳等病害.

3.2.2 气候因素.

隧道左线ZK134+804～869段施工开挖时正值雨季,2007年6月14日～19日,持续数日的强降雨致使原本较致密干燥的土体快速软化、容重增大,因拱顶下沉引起的隧道地表沉降急剧增加,边仰坡出现失稳、滑塌,导致洞口上方截排水沟严重受损,且地表多处出现张裂缝,洞内部分地段初期支护出现严重渗漏水并产生开裂现象.

3.2.3 施工因素.

隧道病害发生前,施工方对不良地质条件下隧道施工可能引发的工程病害重视程度不够,主要表现在:

(1)在隧道洞口施工时,施工方未对洞顶地表特别是截排水沟附近妨碍导排水的杂草物等做完全清理,对洞顶的原有地表裂隙未加封堵,使得降水侵入土体的机会大大增加.

(2)施工方对病害前期征兆和监控预测认识不足,病害处理不彻底.2007年4月15日,该隧道边仰坡发生轻微失稳现象,洞顶地表出现了数道裂缝,浆砌导流截水沟出现挤压变形,仰坡砂浆锚杆挂钢筋网湿喷混凝土防护面层出现开裂剥离现象.在未认真分析事故发生原因的情况下,施工方仅对隧道仰坡重新喷射了一层混凝土防护面层,此措施未能从根本消除病害隐患.

(3)施工方对气候变化的影响认识不够充分,对隧道水害的防治和险情处理的紧急措施缺乏有效的应对方案,最终导致2007年6月份连续几天强降雨后隧道边仰坡再次出现严重失稳、滑塌.

4 监控量测在病害发生过程中的应用

由于浅埋隧道或隧道浅埋地段的上覆土大部分处在塑性区范围内,故为了保证隧道进洞开挖过程中的安全及工程质量,在洞口开挖时,必须尽快在相应位置处布设地表下沉观测断面、隧道周边位移监测断面及拱顶下沉监测断面,以实时掌握隧道边仰坡及隧道围岩的稳定状态.

据此原则,该隧道左线洞口准备开挖时,我们在里程ZK134+868及ZK134+860处布设两处地表下沉监测断面(布置位置如图1所示),并在开挖过程中及时在ZK134+868及ZK134+860布设两处周边位移和拱顶下沉监测断面.ZK134+868地表下沉监测断面、ZK134+868周边位移及拱顶下沉监测断面4月份及6月份的监测数据如图2所示.

根据图2所示现场监测数据可以看出,病害发生前后,地表沉降变化过程、周边位移变化过程、拱顶下沉变化过程均呈现出:快速变化(OA段)——缓慢趋稳(AB段)——急剧变化(BC段)——缓慢趋稳(CD段)——急剧变化(DE段)——缓慢趋稳(EF段)”6个阶段(见图3).

6个阶段所对应隧道围岩变化情况如下:

(1)快速变化阶段(OA段).OA段为隧道洞口开挖后,围岩在应力重分布下,充填物的压缩密实(结构面的闭合)而产生的.

(2)急剧变化阶段(BC、DE段).BC段为隧道在继续开挖过程中,由于对周边岩土体扰动太大,造成隧道边仰坡由稳定状态到出现第一次轻微失稳,进而影响到隧道围岩的稳定性,使监测断面数据的数据出现较大变化.DE段为2007年6月14日～6月19日连续的几天强降雨使基本处于稳定状态的边仰坡再次出现严重失稳滑塌情况,原本稳定的隧道围岩在雨水侵蚀下,自重增加,岩土体及锚喷支护之间的结合力、摩擦力显著降低,洞周收敛急剧增大,隧道初期支护开始变形、开裂并出现严重渗漏水现象.

图1 隧道左线巴中端地表下沉监测断面布设图

图2 K134+868断面累计地表下沉、拱顶下沉、周边收敛位移时态曲线图

(3)缓慢趋稳阶段(AB、CD、EF段).隧道边仰坡及围岩在采取整治措施后,由不稳定状态逐渐趋于稳定,各监测断面的收敛数据逐步趋于定值.

在这次隧道病害的发生过程中,监控量测在及早发现病害方面起到了非常重要的作用.2007年4月16日,我们在实施量测的过程中,发现隧道边仰坡处混凝土护层出现有轻微裂缝,ZK134+868断面监测数据有增大趋势,位移—时间曲线d2u/d2t＞0 (u为位移,t为时间),当即做出预报,使病害在初发期就得到有效控制;2007年6月15日,ZK134+ 868断面周边位移、拱顶下沉监测数据明显增大,并在隧道边仰坡处发现混凝土面层有裂隙、裂缝,且仰坡底部混凝土面层下部有浑浊的泥水流出,立即做出快报,不久断面ZK134+868实测变形速率分别就高达35 mm/d及20 mm/d,洞内初期支护出现几道宽1～2 cm的裂隙,部分工字钢外漏,立即通知施工方停止掘进.施工方进行工程处理后,量测数据表明变形速率明显下降,围岩趋于稳定.

5 结 论

(1)对于工程监控量测方,隧道在进出洞开挖施工时,一定要及时并严格做好地表沉降监测、周边位移监测和拱顶下沉监测.地表沉降监测断面要在隧道进出洞开挖前埋设好,地表沉降、周边位移和拱顶下沉监测断面应尽量布设在同一断面里程处,这有利于数据的比对分析.同时,还要加强对隧道的观察与观测,认真观察隧道边仰坡、初期支护、掌子面地质状况等变化情况,特别是对异常监测数据一定要注意结合现场的观察情况认真进行分析,找出原因.

(2)对于隧道施工单位,在洞口段土石方开挖时,一定要注意维护坡面的稳定,每班次开工前、收工后都必须对边仰坡面、坡顶、洞顶截排水沟及其周围进行认真检查,一旦发现有裂隙和塌方征兆或有危石、危土时应立即处理.同时,边仰坡开挖施工时要按自上而下的顺序进行,坚决禁止掏底开挖,并要做好截、排水工作,保持排水系统通畅,且与原有的水利设施相连通,必要时可拓宽加深截排水沟.

总之,对隧道浅埋段开挖时应严格执行“弱爆破、短开挖、快排水、强支护、早封闭、勤量测”的原则,才能确保隧道质量及施工安全.

[1]关惠平,熊俊楠,陶双江,等.近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析[J].岩矿测试,2008,27(5):357-362.

[2]陈小雄.现代隧道工程理论与隧道施工[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

[3]朱汉华,孙月红,杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京:科学出版社社,2007.

[4]四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.广元至巴中高速公路18合同段两阶段施工图设计[R].成都:四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,2006.

[5]林说平,王昭椿,刘 辉.不良地质条件下连拱隧道施工病害处理[J].公路与汽运,2007,23(4):179-184.