隧道围岩收敛变形动态监测分析

付志鹏，闫 涛,汪树峰，周子荣，王浩林

(核工业井巷建设集团公司,浙江 湖州 313000)

随着我国隧道施工的发展,针对特定的地质环境下隧道围岩变形机制及其控制技术等问题,科研人员进行了大量研究,尤其是建立在掩饰的刚性压缩特性,三向压缩应力应变特性和摩尔应力学说基础上的新奥法已经应用广泛[1-3]。本文针对正在施工中的甬台温西湾隧道,将围岩纳入到隧道支护体系,根据围岩变形稳定性来调整隧道的支护结构[4],通过现场实测来量测、监控围岩动态,分析开挖过程中围岩的变形规律,对进一步的施工和设计进行指导,以便为类似地质条件下的隧道施工提供技术借鉴。

1 工程概况

西湾隧道穿越位于浙江省平阳县,属于甬台温天然气输气管道工程苍南支线平阳段部分,是浙江省天然气管网的一部分。隧道穿越地段总体地貌形态为中低山丘陵,最高点高程为620.00 m,最低点为进洞口高程12.0 m,最大埋深约384 m。线路基本呈北南走向,隧道长度为2 599.46 m,坡度分别为3.49%/297.13 m,16.68%/2 302.33 m。隧道围岩划分为Ⅲ～Ⅴ类,其中目前开挖的围岩属于Ⅴ和Ⅳ类,长度278 m,占总长度的10.70%。该地质段围岩属于强风化呈碎块状,节理裂隙发育,岩体破碎,岩质较硬,自稳性差,层间结合差,切割块体开挖后拱部易产生失稳。

2 监测概况

根据天然气隧道施工的规范要求,针对平阳县段岩层隧道的结构特点、施工工艺和隧道施工中对围岩的监测要求,监测主要采用半断面测点布置法,监测内容包括周边收敛和拱顶下沉。隧道内布置收敛观测点和沉降测点在同一断面上,埋设稳固且标志明显,在开挖24 h内和下一循环开挖之前测读数,以获取围岩开挖初始阶段的变形动态数据[5-6],之后2～3 d测一次读数直至数值基本不发生变化。其中监测项目纵向平面布置见图1,图2为JSS30A型数显收敛计,半断面监测点布置见图3,监测项目采用仪器和测点数等见表1。

图1 监测项目纵向平面布置图

图2 JSS30A型数显收敛计

图3 测点布置图

序号项目名称仪器断面布置测点数1周边收敛JSS30A型数显收敛计间隔10 m每个断面3个2拱顶下沉JSS30A型数显收敛计间隔10 m每个断面3个

3 围岩变形监测结果与分析

3.1 周边收敛

净空收敛位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反应。隧道开挖后首先布置在同一平面的3个测点,形成A、B和C三条测线(图3),选取里程号为K0+120、K0+130、K0+140的三个测点,从2017年6月17日起始至2017年8月10日结束,整理分析这段时间内B测线收敛监测数据及其现场资料,绘制周边收敛时程曲线(图4)。图4中正值表示周边收敛,负值表示周边扩张。

对周边收敛时程曲线进行分析,将其分为“初始变化—缓慢变化—急剧变化—趋于平稳”四个阶段,对应图4中A、B、C、D四个分段。隧道初始开挖支护完成后,有较快的变形,趋势如图4中A分段所示；经历10 d左右时间后收敛趋于缓慢,具体变化如图4中B分段所示；7月初,为方便快速出渣,开挖错车场对其附近的三个测点产生剧烈变化,如图4中C段所示,分析认为错车场的开挖致使其周边围岩局部应力集中,打破原有的应力平衡应力状态,拱腰和拱顶及边墙初期支护的混凝土出现了小的开裂及部分剥落,钢拱架、钢筋网及连接筋外露,并有不同程度的弯曲、扭曲变形。施工项目部针对以上监测反馈的数据,及时采取加固措施；进入7月中旬后收敛变形趋于平稳,变化见图4中D分段。

图4 周边收敛时程曲线

3.2 拱顶下沉

拱顶下沉与周边收敛点布置在同一断面,分析通过监测测线A和C的变化计算得到的拱顶下沉数据情况,得到纵向分布曲线见图5,图5中正值表示上升,负值表示拱顶下沉。

图5 拱顶下沉纵向分布曲线

对图5进行分析,可以看出Ⅴ类围岩平均下沉值12 mm，Ⅳ类围岩拱顶平均下沉值9 mm,进入Ⅳ类围岩后,由于围岩稳定性的提高,拱顶下沉值明显变小,但是在两类围岩交界带出现了下沉最大的峰值,分析认为该位置处于岩层岩性的交界带,节理裂隙发育,节理多表现为张开性,裂隙间以光滑面为主,在拱顶围岩自重下拱顶下沉量达到最大。

通过K0+150和K0+170两断面测线A和C的长度变化绘制的拱顶下沉时程曲线(图6),同样可以将其分为“初始变化—缓慢变化—急剧变化—趋于平稳”四个阶段,从图6中看出进洞口Ⅴ类围岩,开挖及初期支护完成后,拱顶下沉速率较大,锚喷支护约20 d后下沉速率减小,下沉趋势变缓,随着7月中旬降雨量增加,地表水沿着山体裂隙渗透到隧道内致使隧道内涌水增加,拱顶下沉速率骤然增加,部分拱顶下沉导致初期支护的混凝土脱落掉块。针对以上情况,进行混凝土补喷,下沉速率减小,变形量得到控制,约7 d后基本达到稳定。对于Ⅳ类围岩,初期支护完成30 d后,拱顶下沉速率有增加的趋势,表现为与Ⅴ类相同的变化趋势,分析认为隧道内涌水量的增加对拱顶围岩下沉有促进作用。

图6 拱顶下沉时程曲线

对拱顶下沉按照围岩等级分类统计见表2,可以发现Ⅴ类围岩平均下沉量大于Ⅳ类围岩下沉量,Ⅴ类围岩较Ⅳ类围岩趋于稳定的时间要长。已有研究表明围岩变形与测点到开挖面的距离(L)和隧道直径(D)的比值L/D理论上表现为指数关系,一般L/D达到2～3后基本稳定,之后迅速减小直至稳定,与现场观测得到的一般数据对比发现,计算结果基本符合,如K0+100和K0+220。

表2 围岩分级拱顶下沉统计

4 结 语

本文针对甬台温西湾隧道进洞口现场地质条件和具体施工情况,通过应用收敛测量仪等仪器对现场围岩变形进行量测,分析数据得出以下结论：

1)隧道开挖完成后周边收敛和拱顶下沉量都呈现“初始变化—缓慢变化—急剧变化—趋于平稳”四个阶段,但是急剧变化阶段却发生在不同时间段内,分析认为周边收敛有急剧变化的趋势其原因是洞内错车场开挖,拱顶下沉有急剧变化的趋势其原因是隧道内涌水量的增加。

2)拱顶下沉按照围岩等级分类进行对比发现,Ⅴ类围岩平均下沉量较Ⅳ类围岩大,且达到稳定阶段的时间也较长,同时在Ⅴ类和Ⅳ类交界带由于节理裂隙发育,致使拱顶下沉量达到最大。

3)隧道围岩初期变形与时间基本呈现指数函数收敛模型,具有较好的可观测性。