湿陷性大断面黄土一次衬砌模筑混凝土隧道监控量测分析

刘子阳，李德武

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

隧道工程

湿陷性大断面黄土一次衬砌模筑混凝土隧道监控量测分析

刘子阳，李德武

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

通过对兰州南绕城某高速公路隧道进行现场监控量测，分析了现场围岩变形、接触压力和一次模筑混凝土应力的变化规律，对现场围岩的变形状态及支护条件的可靠程度有了更科学的了解。研究成果为隧道的现场施工提供了必要的依据，同时也可为以后类似地质条件下隧道的设计和施工提供借鉴。

双层模筑混凝土；湿陷性黄土；监控；量测

1 工程概况

兰州南绕城某高速公路隧道位于兰州市榆中县境内，进口布置于上井滩沟左侧阶地后缘，出口布置于瑞家沟右侧。进出口附近沟道较窄，隧道右线YK2+948～YK5+224、2 296 m，左线ZK2+951～ZK5+257、2 306 m，为分离式长隧道。隧址区属于黄土梁区，海拔在1 810～2 030 m。隧址区底层可分为三大层组：第四系坡积层、第四系风积层、第四系冲洪积层，地层为Ⅴ级围岩段。隧道采用短台阶开挖法施工，台阶总长14～20 m，隧道洞顶最大埋深为140 m，一次衬砌紧跟开挖面，严禁爆破开挖。

2 监控量测的实施

2.1 监控量测的目的

本研究隧道采用新奥法原理施工，周边收敛及拱顶下沉量测是施工的重要组成部分。通过监控量测能掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计和指导施工，预见事故和险情，以便及时采取措施。量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以保证施工安全和隧道稳定。

2.2 监控断面的选择

通过现场地质情况的勘测，为了更好的了解围岩的应力情况，指导和优化施工方案，监控量测的断面选为黄土地质比较典型的ZK4+865.5断面。

2.3 监控内容和测点布置

依据规范，隧道监测一般包括地质和支护状况观察、周边位移、拱顶下沉以及锚杆内力等必测项目和地表下沉、围岩体内位移以及钢支撑内力及外力等选测项目。本篇取隧道ZK4+865.5处布设监控断面，全断面共设8个仪器安装点，分别位于拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、左边墙、右边墙和仰拱，监控项目包括围岩压力、钢拱架应力、接触压力。通过记录各部位所安装仪器的数据，对隧道施工过程中各结构的应力应变进行分析。

表1 隧道监测测试元件指标表

2.4 监测频率

表2 隧道监测频率表

3 监控量测数据分析

3.1 拱顶位移测量与分析

在隧道的施工过程中，针对ZK4+865.5断面，全断面共设9个安装点，分别位于拱顶、拱顶左、拱顶右、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、左边墙、右边墙，其中拱顶左和拱顶右侧点距离拱顶水平方向的距离是1 m，拱顶、拱顶左、拱顶右三测点用于拱顶下沉测量。在各测点的钢钎上黏贴反光膜，用高精度全站仪测量。通过记录隧道开挖过程中围岩的变形情况，并对变形情况进行分析。如图1～图2。

图1 断面拱顶沉降值—时间曲线图

通过对ZK4+865.5断面进行拱顶下沉及水平收敛观测可以发现如下特征：

(1)变形量大。隧道开挖后，围岩的变形明显。监测结果表明，拱顶的最大下沉量为73.9 mm，且第2天的下沉速率较大为4.7 mm/d，之后拱顶下沉速率波动较大，第8天过后，拱顶下沉变化较小在可控制范围之内，下沉稳定，截至数据记录时间，拱顶下沉达到73.9 mm。

图2 断面测线收敛值—时间曲线图

(2)初期变形快且变形速率大。隧道开挖后初期变形速率大，拱顶下沉速率为4.8 mm/d，上测线水平收敛速率达到0.87 mm/d，下测线水平收敛速率为-0.37 mm/d，但离隧道预留变形量的标准较远，处在可控范围内。初期变形速率大说明洞室围岩压力较大且来压快，围岩自稳能力及稳定性差。通过位移监测发现采用初期模筑混凝土衬砌施工对围岩变形控制效果良好。

(3)变形持续时间长。围岩变形持续时间较长，在初期支护变形后仍然未停止变形，甚至有所发展，收敛特征不明显。反映了围岩强度较低，具有一定流变特征，隧道开挖后围岩应力重分布持续时间长。同时，围岩变形因施工干扰明显，如上台阶、仰拱施作对围岩的扰动，促使围岩进一步变形。

3.2 围岩压力测量与分析

由于该隧道穿越湿陷性黄土地层，围岩稳定性极差，弄清初期支护的实际承载力及分担围岩应力的情况十分必要。针对ZK4+865.5断面，将土压力盒掏槽布设在围岩最外侧，对围岩的受力情况进行量测。通过记录隧道开挖过程中围岩的受力情况，对围岩压力做出初步分析，围岩压力曲线如图。围岩应力最终值横断面分布图3。

图3 围岩应力最终值横断面分布图(单位：KPa)

分析图可得出如下结论：

(1)围岩应力随施工的进展而不断变化，变化规律具有普遍性。由于本隧道采用台阶法施工，隧道整体上逐渐出现“卸荷”现象，一次衬砌模筑混凝土逐渐开始承载，各测点应力随施工进展呈缓慢增大的趋势。

(2)在围岩开挖的前3 d，各测点围岩压力皆呈急剧增大的趋势，最大出现左拱脚处，达145.62 kPa，主要是初期由于掌子面围岩开挖导致应力重分布围岩压力释放造成的。

(3)在之后的十几天，受超前支护、小导管、锚杆打设等加固围岩作用的影响，左、右拱脚围岩压力变化较为明显，呈先下降后上升的趋势；从第20 d目标断面左、右边墙完成开挖、模筑至第28天完成仰拱封闭，各测点压力呈缓慢增大。二次衬砌模筑后，各测点压力逐渐呈稳定状态。

(4)从最终值应力分布图来看，各观测点的监控围岩压力最后测量值各部位差异较大，且左右侧差异也较大，最大压应力发生在左边墙，达143.21 kPa，相反，在右边墙呈拉应力，达15.1 kPa。这一定程度上与围岩压力的分别及左右侧开挖步骤顺序相关。

图4 一次衬砌混凝土应力最终值 横断面分布图(单位：kPa)

3.3 一次模筑混凝土衬砌应力测量与分析

当前一次衬砌常采用钢拱架配合钢筋网片喷射混凝土，本隧道因特殊地层结构采用一次衬砌模筑混凝土，而相关研究甚少，因此有必要对模筑混凝土的应变进行量测与系统分析。本研究针对ZK4+865.5断面，在初期模筑混凝土衬砌钢筋网中布设混凝土应变计，对衬砌内混凝土的受力情况进行量测。

4 结 论

(1)监控量测是隧道施工过程中不可缺少的组成成分，通过对监测量测数据的分析整理，可以实时掌握一次衬砌模筑混凝土后隧道围岩与支护结构的受力情况。

(2)各监测点的位移量、围岩压力具有不对称性，一次衬砌混凝土应力具有一定对称性；测量值的变化反映出围岩受力受隧道上、下台阶及仰拱的开挖影响较大；同时，打设超前支护、锚杆以及小导管注浆等加固措施对围岩和支护受力也有一定的影响。

(3)通过长期对一次衬砌采用模筑混凝土应力变化的测量，得出其受开挖影响较大，尤其是拱顶和拱腰处混凝土应力在二衬模筑之前一直稳定增大，施工中应给予重视。

(4)具有湿陷性的兰州南绕城某高速公路黄土隧道采用一次模筑混凝土衬砌施工方法时，拟选监测断面隧道的围岩条件并不会对整个隧道的施工、支护结构受力等造成较大的影响，工程所采用的施工组织设计和支护参数是可行的。

[1] 石志龙, 徐超亚. 婆髻隧道施工监控量测与稳定分析[J]. 地下空间与工程学报, 2016，(6): 527-532.

[2] 李晓红, 康勇, 顾义磊, 等. 监控量测技术在通渝隧道出口段中的应用[J]. 重庆大学学报, 2003，(9): 2-6.

[3] 周济民. 水下盾构法隧道双层衬砌结构力学特性[D].成都：西南交通大学，2012.

MonitoringandComprehensiveAnalysisinLargeSectionsofCollapsibleLoessALiningLoncreteTunnel

LIU Zi-yang，Li De-wu

(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

Through the lanzhou city south tunnel of an expressway on-site monitoring measurement, the deformation and contact pressure of surrounding rock is analyzed and a model of concrete stress, the strain state of surrounding rock on the spot and the reliability of the supporting conditions have a more scientific understanding. Research results for the site construction of the tunnel provides necessary basis, at the same time can also be used for future similar geological conditions in tunnel design and construction for reference.

double modulus of concrete; collapsible loess; monitoring measurement

U458.1

A

1008-3383(2017)09-0149-03

2017-03-11