張守成,關(guān)惠平,寇智勇,張照旭,丁石谷

(1.西南石油大學(xué)建筑工程學(xué)院,四川成都 610500;2.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川成都 610106; 3.中國(guó)石油西氣東輸管道公司,上海 200122;4.中國(guó)石油西氣東輸管道公司豫鄂管理處,湖北武漢 430073)

0 引 言

隨著我國(guó)公路、鐵路的快速發(fā)展,新奧法(New Austrian Tunneling Method,NATM)在隧道施工中已得到廣泛應(yīng)用[1],其技術(shù)核心是運(yùn)用不同的開(kāi)挖方法、支護(hù)形式、測(cè)量及地層預(yù)處理等各種手段來(lái)控制隧道圍巖變化,以最大限度地利用圍巖自身的承載能力,并通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷圍巖變位穩(wěn)定狀態(tài),以此修訂和完善支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使隧道施工更加安全[2,3].因此,在隧道開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)對(duì)其圍巖性狀實(shí)施監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合判斷,是進(jìn)一步指導(dǎo)施工、完善設(shè)計(jì),保證施工安全和順利進(jìn)行的重要技術(shù)環(huán)節(jié)和過(guò)程.本文針對(duì)四川廣元至巴中高速公路某隧道洞口施工過(guò)程中出現(xiàn)的工程病害,從地形與地質(zhì)因素、氣候因素、施工因素3個(gè)方面,分析了該隧道左線巴中端洞口施工中產(chǎn)生隧道邊、仰坡失穩(wěn),隧道初期支護(hù)變形、開(kāi)裂、滲漏等病害主要原因,并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),反演了隧道病害發(fā)生全過(guò)程,總結(jié)了特殊地段公路隧道開(kāi)挖方法與監(jiān)控量測(cè)技術(shù)中需要特別注意的有關(guān)問(wèn)題,為隧道施工及隧道監(jiān)控量測(cè)提供可借鑒的科學(xué)依據(jù).

1 隧道工程概況

公路工程施工隧道位于四川省巴中市巴州區(qū),屬雙線越嶺隧道,左線里程樁號(hào)為 K134+113～K134+884,右線里程樁號(hào)為YK134+120～YK134+ 914.隧址區(qū)地層可分為兩大類:一類是第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Qc+d14),另一類為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組(K1j).第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Qc+d14)主要分布在隧道進(jìn)、出口段斜坡及洞身陡崖崖腳及斜坡一帶,其巖性主要為褐紅色、褐灰色的低液限粘土,多呈軟塑～硬塑狀,粘粒含量較高,局部可見(jiàn)碎石,其成分為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖.白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組(K1j)主要分布在隧道基底,巖性多表現(xiàn)為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖及灰白色砂巖不等厚互層[4].

2 隧道監(jiān)控量測(cè)斷面布設(shè)原則

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JT J042-94)和工程經(jīng)驗(yàn),隧道位移監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)的縱向間距及平面圖可參照表1所示.

表1 隧道位移監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)間距及平面圖

根據(jù)測(cè)點(diǎn)布設(shè)平面圖,周邊位移量測(cè)布設(shè)具體方法為:隧道上導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)布設(shè)1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn),形成A、B、C 3條測(cè)線,下端面開(kāi)挖時(shí)布設(shè)4、5點(diǎn),形成D、E、F 3條測(cè)線,隧道采用全斷面開(kāi)挖時(shí)只需布設(shè)3、4、5測(cè)點(diǎn)即可.同時(shí),拱頂下沉量測(cè)布設(shè)具體方法為:在3點(diǎn)位置處掛鋼卷尺,通過(guò)水準(zhǔn)儀及在隧道水準(zhǔn)點(diǎn)豎水準(zhǔn)尺,監(jiān)測(cè)隧道拱頂下沉值.

3 隧道洞口病害及成因分析

3.1 隧道洞口病害綜述

該隧道左線巴中端在進(jìn)洞施工過(guò)程中,邊、仰坡于2007年6月17日晚出現(xiàn)明顯失穩(wěn)、滑塌現(xiàn)象,洞頂截排水溝多處被拉裂,隧道邊、仰坡砂漿錨桿掛鋼筋網(wǎng)濕噴混凝土防護(hù)面層出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂剝落現(xiàn)象, ZK134+868斷面和ZK134+860斷面收斂變形急劇加大,洞口端ZK134+869～ZK134+862段初期支護(hù)出現(xiàn)較寬裂縫6條,噴護(hù)混凝土出現(xiàn)脫落,部分型鋼鋼架外露,洞內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重滲水.

3.2 隧道洞口病害分析

3.2.1 地形地質(zhì)因素.

(1)隧道出口地形坡度稍緩,呈緩斜坡臺(tái)階狀,總體坡度約為15°～20°,并被低矮灌木、雜草、樹(shù)木覆蓋,造成隧道地表排水困難.

(2)隧道出口端ZK134+804～869段為隧道淺埋地段,地層為第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Qc+d14),主要為塊碎石狀低液限粘土,開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)性差,易坍塌.尤其是隧道出口端ZK134+855～869,其最大埋深僅為7.5 m,處于塑性范圍區(qū),圍巖主要為含塊碎石粘土的松軟散體結(jié)構(gòu),易受水影響浸泡軟化、崩解,極易產(chǎn)生邊仰坡裂縫、滑塌、失穩(wěn)等病害.

3.2.2 氣候因素.

隧道左線ZK134+804～869段施工開(kāi)挖時(shí)正值雨季,2007年6月14日～19日,持續(xù)數(shù)日的強(qiáng)降雨致使原本較致密干燥的土體快速軟化、容重增大,因拱頂下沉引起的隧道地表沉降急劇增加,邊仰坡出現(xiàn)失穩(wěn)、滑塌,導(dǎo)致洞口上方截排水溝嚴(yán)重受損,且地表多處出現(xiàn)張裂縫,洞內(nèi)部分地段初期支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏水并產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象.

3.2.3 施工因素.

隧道病害發(fā)生前,施工方對(duì)不良地質(zhì)條件下隧道施工可能引發(fā)的工程病害重視程度不夠,主要表現(xiàn)在:

(1)在隧道洞口施工時(shí),施工方未對(duì)洞頂?shù)乇硖貏e是截排水溝附近妨礙導(dǎo)排水的雜草物等做完全清理,對(duì)洞頂?shù)脑械乇砹严段醇臃舛?使得降水侵入土體的機(jī)會(huì)大大增加.

(2)施工方對(duì)病害前期征兆和監(jiān)控預(yù)測(cè)認(rèn)識(shí)不足,病害處理不徹底.2007年4月15日,該隧道邊仰坡發(fā)生輕微失穩(wěn)現(xiàn)象,洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)了數(shù)道裂縫,漿砌導(dǎo)流截水溝出現(xiàn)擠壓變形,仰坡砂漿錨桿掛鋼筋網(wǎng)濕噴混凝土防護(hù)面層出現(xiàn)開(kāi)裂剝離現(xiàn)象.在未認(rèn)真分析事故發(fā)生原因的情況下,施工方僅對(duì)隧道仰坡重新噴射了一層混凝土防護(hù)面層,此措施未能從根本消除病害隱患.

(3)施工方對(duì)氣候變化的影響認(rèn)識(shí)不夠充分,對(duì)隧道水害的防治和險(xiǎn)情處理的緊急措施缺乏有效的應(yīng)對(duì)方案,最終導(dǎo)致2007年6月份連續(xù)幾天強(qiáng)降雨后隧道邊仰坡再次出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn)、滑塌.

4 監(jiān)控量測(cè)在病害發(fā)生過(guò)程中的應(yīng)用

由于淺埋隧道或隧道淺埋地段的上覆土大部分處在塑性區(qū)范圍內(nèi),故為了保證隧道進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中的安全及工程質(zhì)量,在洞口開(kāi)挖時(shí),必須盡快在相應(yīng)位置處布設(shè)地表下沉觀測(cè)斷面、隧道周邊位移監(jiān)測(cè)斷面及拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面,以實(shí)時(shí)掌握隧道邊仰坡及隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài).

據(jù)此原則,該隧道左線洞口準(zhǔn)備開(kāi)挖時(shí),我們?cè)诶锍蘘K134+868及ZK134+860處布設(shè)兩處地表下沉監(jiān)測(cè)斷面(布置位置如圖1所示),并在開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)在ZK134+868及ZK134+860布設(shè)兩處周邊位移和拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面.ZK134+868地表下沉監(jiān)測(cè)斷面、ZK134+868周邊位移及拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面4月份及6月份的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示.

根據(jù)圖2所示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,病害發(fā)生前后,地表沉降變化過(guò)程、周邊位移變化過(guò)程、拱頂下沉變化過(guò)程均呈現(xiàn)出:快速變化(OA段)——緩慢趨穩(wěn)(AB段)——急劇變化(BC段)——緩慢趨穩(wěn)(CD段)——急劇變化(DE段)——緩慢趨穩(wěn)(EF段)”6個(gè)階段(見(jiàn)圖3).

6個(gè)階段所對(duì)應(yīng)隧道圍巖變化情況如下:

(1)快速變化階段(OA段).OA段為隧道洞口開(kāi)挖后,圍巖在應(yīng)力重分布下,充填物的壓縮密實(shí)(結(jié)構(gòu)面的閉合)而產(chǎn)生的.

(2)急劇變化階段(BC、DE段).BC段為隧道在繼續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中,由于對(duì)周邊巖土體擾動(dòng)太大,造成隧道邊仰坡由穩(wěn)定狀態(tài)到出現(xiàn)第一次輕微失穩(wěn),進(jìn)而影響到隧道圍巖的穩(wěn)定性,使監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大變化.DE段為2007年6月14日～6月19日連續(xù)的幾天強(qiáng)降雨使基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的邊仰坡再次出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn)滑塌情況,原本穩(wěn)定的隧道圍巖在雨水侵蝕下,自重增加,巖土體及錨噴支護(hù)之間的結(jié)合力、摩擦力顯著降低,洞周收斂急劇增大,隧道初期支護(hù)開(kāi)始變形、開(kāi)裂并出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏水現(xiàn)象.

圖1 隧道左線巴中端地表下沉監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)圖

圖2 K134+868斷面累計(jì)地表下沉、拱頂下沉、周邊收斂位移時(shí)態(tài)曲線圖

(3)緩慢趨穩(wěn)階段(AB、CD、EF段).隧道邊仰坡及圍巖在采取整治措施后,由不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定,各監(jiān)測(cè)斷面的收斂數(shù)據(jù)逐步趨于定值.

在這次隧道病害的發(fā)生過(guò)程中,監(jiān)控量測(cè)在及早發(fā)現(xiàn)病害方面起到了非常重要的作用.2007年4月16日,我們?cè)趯?shí)施量測(cè)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)隧道邊仰坡處混凝土護(hù)層出現(xiàn)有輕微裂縫,ZK134+868斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有增大趨勢(shì),位移—時(shí)間曲線d2u/d2t＞0 (u為位移,t為時(shí)間),當(dāng)即做出預(yù)報(bào),使病害在初發(fā)期就得到有效控制;2007年6月15日,ZK134+ 868斷面周邊位移、拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯增大,并在隧道邊仰坡處發(fā)現(xiàn)混凝土面層有裂隙、裂縫,且仰坡底部混凝土面層下部有渾濁的泥水流出,立即做出快報(bào),不久斷面ZK134+868實(shí)測(cè)變形速率分別就高達(dá)35 mm/d及20 mm/d,洞內(nèi)初期支護(hù)出現(xiàn)幾道寬1～2 cm的裂隙,部分工字鋼外漏,立即通知施工方停止掘進(jìn).施工方進(jìn)行工程處理后,量測(cè)數(shù)據(jù)表明變形速率明顯下降,圍巖趨于穩(wěn)定.

5 結(jié) 論

(1)對(duì)于工程監(jiān)控量測(cè)方,隧道在進(jìn)出洞開(kāi)挖施工時(shí),一定要及時(shí)并嚴(yán)格做好地表沉降監(jiān)測(cè)、周邊位移監(jiān)測(cè)和拱頂下沉監(jiān)測(cè).地表沉降監(jiān)測(cè)斷面要在隧道進(jìn)出洞開(kāi)挖前埋設(shè)好,地表沉降、周邊位移和拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)盡量布設(shè)在同一斷面里程處,這有利于數(shù)據(jù)的比對(duì)分析.同時(shí),還要加強(qiáng)對(duì)隧道的觀察與觀測(cè),認(rèn)真觀察隧道邊仰坡、初期支護(hù)、掌子面地質(zhì)狀況等變化情況,特別是對(duì)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一定要注意結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的觀察情況認(rèn)真進(jìn)行分析,找出原因.

(2)對(duì)于隧道施工單位,在洞口段土石方開(kāi)挖時(shí),一定要注意維護(hù)坡面的穩(wěn)定,每班次開(kāi)工前、收工后都必須對(duì)邊仰坡面、坡頂、洞頂截排水溝及其周圍進(jìn)行認(rèn)真檢查,一旦發(fā)現(xiàn)有裂隙和塌方征兆或有危石、危土?xí)r應(yīng)立即處理.同時(shí),邊仰坡開(kāi)挖施工時(shí)要按自上而下的順序進(jìn)行,堅(jiān)決禁止掏底開(kāi)挖,并要做好截、排水工作,保持排水系統(tǒng)通暢,且與原有的水利設(shè)施相連通,必要時(shí)可拓寬加深截排水溝.

總之,對(duì)隧道淺埋段開(kāi)挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“弱爆破、短開(kāi)挖、快排水、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則,才能確保隧道質(zhì)量及施工安全.

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