郭伍軍 齊 甦 竇克偉 王 成

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

?

小凈距泊上隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測分析

郭伍軍1齊 甦2竇克偉2王 成2

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

以貴州省余慶縣白泥鎮(zhèn)泊上隧道為例，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測，運用指數(shù)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推測圍巖最大變形量，并結(jié)合變形速率和變形加速度判斷圍巖收斂情況，指導(dǎo)隧道二襯施作時機(jī)，為以后類似工程實踐提供經(jīng)驗。

小凈距隧道，泊上隧道，圍巖，監(jiān)測數(shù)據(jù)

小凈距隧道是指并行雙洞公路隧道間夾巖石厚度較小，一般小于規(guī)范規(guī)定的凈距的一種特殊的隧道結(jié)構(gòu)形式。該種結(jié)構(gòu)可以解決分離式隧道的布線困難、占地較多和連拱隧道施工復(fù)雜、造價較高的缺點。國內(nèi)對小凈距隧道施工方法、支護(hù)措施、圍巖穩(wěn)定性分析等方面做了很多的研究[1-5]，小凈距隧道應(yīng)遵循“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則，并將中間巖柱的穩(wěn)定與加固作為設(shè)計與施工的重點。根據(jù)圍巖的情況和中間巖柱的大小，小凈距隧道的開挖和結(jié)構(gòu)支護(hù)方式有所不同。

泊上隧道為小凈距隧道，圍巖破碎，其中Ⅴ級圍巖約占隧道全長65%，隧道開挖過程中，出現(xiàn)了大變形，為了保證隧道施工安全和進(jìn)度要求，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測和分析，及時調(diào)整設(shè)計支護(hù)參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計、信息化施工，以體現(xiàn)“動態(tài)設(shè)計、過程控制”的理念，為以后類似工程實踐提供經(jīng)驗。

1 工程概況

泊上隧道位于貴州省余慶縣白泥鎮(zhèn)，高速公路雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)，屬中隧道。左線起訖樁號ZK83+195～ZK84+040，長845 m，最大埋深約77 m；右線起訖樁號YK83+175～YK84+910，長730 m，最大埋深約83 m。隧道凈寬10.25 m，隧道凈高5.0 m，小凈距隧道線間距控制在15 m以上，凈距約10 m，約為1.0B0。

該隧道區(qū)屬中低山地貌，地形起伏較大，隧址區(qū)第四系覆蓋層薄，圍巖段主要為硅質(zhì)頁巖、含礫板巖、砂質(zhì)板巖，其中Ⅴ級圍巖564.5 m，Ⅳ級圍巖260 m，隧址區(qū)域位于貴州東部NS向構(gòu)造帶、NNE向構(gòu)造帶和NE向構(gòu)造帶的交匯地區(qū)，處于相對較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，未發(fā)現(xiàn)活動性深大斷裂。

隧道單洞采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，施工工序及施工順序如圖1所示，隧道施工采用左洞先行的方案，當(dāng)先行洞(左洞)仰拱施工后再進(jìn)行后行洞(右洞)上斷面開挖，且先行洞(左洞)與后行洞(右洞)上斷面開挖距離不小于30 m。

2 監(jiān)測方案

現(xiàn)場監(jiān)控量測是判斷圍巖和隧道穩(wěn)定狀態(tài)、保證施工安全、指導(dǎo)施工生產(chǎn)、進(jìn)行施工管理和提供設(shè)計信息的重要手段。根據(jù)泊上隧道的施工工藝和地質(zhì)條件，監(jiān)測的內(nèi)容主要為變形量測，監(jiān)測項目為地表沉降、拱頂下沉和凈空收斂，選取典型監(jiān)測斷面ZK83+533，監(jiān)測斷面的測點布置圖如圖2所示。

取得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，繪制位移—時間曲線，并利用最小二乘法的思想，進(jìn)行回歸分析，推算最終位移值，掌握位移變化規(guī)律，并對求得的回歸函數(shù)求一階、二階導(dǎo)數(shù)，得到斷面的變形速率函數(shù)和變形加速度函數(shù)，綜合判斷圍巖和隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。通過前期回歸分析發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)模型的回歸效果最好，相關(guān)系數(shù)最大，因此本次回歸分析模型選取了指數(shù)模型擬合，表達(dá)式見式(1)，表達(dá)式中a,b的計算方法見式(2)和式(3)，其中(xi，yi)為樣本觀察值，相關(guān)系數(shù)R的計算公式見式(4)。

y=a(1-e-bx)

(1)

(2)

(3)

(4)

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表監(jiān)測結(jié)果及分析

泊上隧道進(jìn)口左洞ZK83+225斷面從2014年11月12日開始監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/d，得到的地表沉降位移曲線如圖3所示。

由圖3可知，累計地表沉降量不是很大，最大沉降量約為5 mm，隧道開挖的工序?qū)Φ乇沓两盗康挠绊懞艽?，特別是在開挖上斷面核心土?xí)r，沉降量明顯增大。地表沉降受空間影響較大，在隧道正上方位置沉降量最大，遠(yuǎn)離隧道位置，沉降量較小，總體表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

3.2 拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果與分析

1)回歸分析。

ZK83+533斷面從2015年2月23日開始測量，監(jiān)測頻率為1次/d，直到穩(wěn)定為止。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制得到的位移—時間曲線及擬合曲線圖，如圖4所示，回歸函數(shù)為：

y=79.335(1-e-0.064 5x),R=0.993 46。

由圖4可知，泊上隧道拱頂下沉經(jīng)歷了從急劇變形到變形緩慢到最后基本穩(wěn)定的三階段。從監(jiān)測開始到第15天，圍巖基本開始趨于穩(wěn)定，這期間圍巖總變形量約占總變形量的75%，經(jīng)過35 d連續(xù)監(jiān)測，圍巖累計總位移量約為65 mm。根據(jù)擬合曲線，推算得到的累計擬合最大變形量Umax=78.494 mm。

2)拱頂下沉變形速率。

在監(jiān)控量測經(jīng)驗反饋法中，容許變形速率對判斷圍巖的收斂具有重要的作用，也是國內(nèi)外判斷圍巖是否穩(wěn)定最常用的方法。用來指導(dǎo)隧道二襯的施作時間。通過對回歸函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，可得ZK83+533斷面變形速率，求得的變形速率—時間函數(shù)為：

y′=5.117e-0.064 5x。

變形速率—時間曲線如圖5所示，由圖5可知，當(dāng)t=20 d時，變形速率開始小于1 mm/d，滿足規(guī)范要求，說明圍巖開始趨于穩(wěn)定，當(dāng)t=60 d時，變形速率基本等于0，圍巖已經(jīng)穩(wěn)定。擬合結(jié)果基本符合現(xiàn)場情況，在后期監(jiān)測過程中，變形速率出現(xiàn)了負(fù)值，主要是由于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)充分發(fā)揮了其自身的支撐能力。

3)拱頂下沉變形加速度。

y″=-0.330e-0.064 5x。

加速度—時間曲線如圖6所示，由圖6可知，圍巖變形加速度值一直處在小于0的坐標(biāo)軸下，且加速度值是減小的，圍巖可以自動趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測的第20天，圍巖變形加速度值一直處于小于0.01mm/d2的狀態(tài)，與上面變形速率變化情況基本一致，進(jìn)一步說明圍巖處于基本穩(wěn)定階段。

3.3 凈空收斂監(jiān)測結(jié)果與回歸分析

1)回歸分析。

泊上隧道凈空收斂采用了DE和FG兩條測線，由于DE測線的數(shù)據(jù)更多，因此，隧道凈空回歸收斂主要采用了DE測線的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。ZK83+533斷面凈空收斂位移—時間回歸函數(shù)為：y=48.802(1-e-0.047x),相關(guān)系數(shù)R=0.98。

擬合累計最大變形量Umax=48.802mm，擬合曲線如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)t=12d左右，累計收斂量約占總收斂量的70%，這一階段主要受空間效應(yīng)的影響較大，在整個監(jiān)測期間內(nèi)，ZK83+533斷面實測累計收斂量約為48mm，與擬合結(jié)果基本一致。

2)圍巖收斂變形速率。

通過對回歸函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)可得圍巖的變形速率—時間函數(shù)為：y′=2.294e-0.047x，變形速率—時間曲線如圖8所示；由圖8可知，在監(jiān)測初期，圍巖的變形速率和加速度較大，主要是受開挖的影響，當(dāng)t=20d時，圍巖的變形速率基本符合規(guī)范的要求。

3)圍巖收斂變形加速度。

對擬合函數(shù)進(jìn)行二階求導(dǎo)，變形加速度—時間函數(shù)為：y″=-0.108e-0.047x，變形加速度—時間曲線如圖9所示。由圖9可知，在監(jiān)測初期，圍巖的變形速率和加速度較大，主要是受開挖的影響，當(dāng)t=20d時，圍巖變形加速度基本滿足規(guī)范要求。

3.4 泊上隧道圍巖變形最終推測

預(yù)測隧道圍巖最終位移量的方法主要有極限速率法和位移容許速率法。極限速率法指對收斂回歸方程作t→+∞的極限運算，從數(shù)學(xué)上計算圍巖最終位移量的大小。因此當(dāng)t→+∞時，左洞ZK83+533斷面累計最大變形量Umax=79.335 mm，最大收斂變形量Umax=48.802 mm，當(dāng)t=20 d時，圍巖的變形速率和加速度值基本符合規(guī)范要求，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合泊上隧道圍巖變形最終預(yù)測結(jié)果，建議泊上隧道二襯施作時機(jī)為掌子面開挖后約20 d，考慮預(yù)測結(jié)果是基于時間為趨于無窮大和且無支護(hù)的狀態(tài)，考慮到后期支護(hù)發(fā)揮其自身的支撐作用后，圍巖的變形可以得到一定的限制，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)留變形量約為40 mm。

4 結(jié)語

1)通過監(jiān)測結(jié)果和分析可知，泊上隧道的支護(hù)設(shè)計參數(shù)和施工工藝符合要求，能控制圍巖變形，能夠保證圍巖的穩(wěn)定性。

2)通過對泊上隧道進(jìn)行監(jiān)控量測，利用指數(shù)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，通過分析結(jié)果可知，泊上隧道圍巖變形主要經(jīng)歷了急劇變形→緩慢變形→基本穩(wěn)定三階段，主要受時、空間效應(yīng)的影響比較明顯。在t=20 d左右，圍巖基本穩(wěn)定。

3)通過回歸模型，對泊上隧道圍巖變形進(jìn)行了最終的預(yù)測，建議二襯的施作時機(jī)在掌子面開挖后20 d，這時圍巖的變形速率滿足施工規(guī)范要求，考慮圍巖的支護(hù)措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留一定的變形量。

[1] 夏才初,龔建伍,唐 穎,等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(1):44-50.

[2] 張國華,陳禮彪,錢師雄,等.大斷面小凈距大帽山隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測及分析[J].巖土力學(xué),2010,31(2):489-496.

[3] 唐明明,王芝銀,李云鵬.穿越公路偏壓小凈距隧道施工方法探討[J].巖土力學(xué),2011,32(4):1163-1168.

[4] 龔建伍,雷學(xué)文.大斷面小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2010,31(S2):412-417.

[5] 楊建平,陳衛(wèi)忠,郭小紅.小凈距公路隧道支護(hù)時機(jī)對圍巖穩(wěn)定性影響研究[J].巖土力學(xué),2008,29(2):483-490.

Field monitoring measurement analysis of Bo-Shang small-distance tunnel

Guo Wujun1Qi Su2Dou Kewei2Wang Cheng2

(1.CCCCSecondHighwayEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710065,China;2.EngineeringFaculty,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Taking Baini County Bo-Shang tunnel in Yuqing of Guizhou for example, we infer to the terminal deflections by which the field monitoring measurements results using exponential model for regression analysis. Also we will judge the surrounding rock stability by the deformation rates and accelerations. Also the analysis results can conduct the opportunity to construct the second lining and provide experiences for similar engineering practice in the future.

small-distance tunnel, Bo-Shang tunnel, surrounding rock, monitoring data

1009-6825(2017)13-0166-03

2017-02-27

郭伍軍(1969- )，男，高級工程師

U456

A