隧道软弱围岩变形监测及稳定性研究
2015-06-15
由于岩体断层的结构面的状态、特征和组合，隧道软弱围岩稳定性不一，易发生不同边界条件、方式、规模及特征的的变形破坏。大量学者针对这一问题做了不同角度和深度的研究，包括断层的定性调查、预报以及围岩稳定性分析。本文以二青山隧道1#斜井为例，通过对开挖过程中出现的不同地段围岩变形进行现场监测，深入对因受断层影响的隧道围岩变形特征与机理进行定量分析，为隧道支护提供科学依据。
1.工程概况
二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段是太原至兴县线静游至兴县段隧道。该段处于第四系上更新统坡洪积粉质黄土层，吕梁山群赤坚岭组灰白色加黑色斑状片麻岩，红色伟晶岩，黑色云母片岩等。隧道埋深较浅，上覆黄土一般厚20-40米，具II级自重湿陷性，下伏基岩顶部有一层10-20米厚全风化层，岩体节理发育，及破碎，呈碎石土状，地表黄土层沟壑发育，DK134+100段地表有河流穿过，常年不断，地下水位高，涌水量大。
变形段原设计为IV级围岩，开挖过程中实际掌子面围岩以强风化黑色云母片岩、红色伟晶岩，砂砾性碎石土为主，岩体及破碎，节理、裂隙发育，局部部位渗水，岩体遇水剥层脱落、掉块、坍塌，围岩稳定性极差。经与设计、监理现场勘查变更为V级围岩支护施工。
根据设计图纸，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段采用台阶法进行施工， 围岩地质状况差，斜井进入正洞采用门架式挑顶施工，在挑顶过程中，掌子面多次出现小型坍塌。在施作中导及下导时，由于围岩为云母片岩，加之水量大，导致频频出现不同程度的塌方。在下导施作完成6小时后，发现拱腰以下已严重侵限（初支预留变形量22cm），里程为DK134+809-801。为了控制变形，及时施作喇叭口段仰拱，对正洞边墙部分进行注浆加固。但是大里程施工数米后，变形段逐步延伸，变形主要表现为拱腰大面积喷射混凝土开裂、掉块，钢拱架局部变形扭曲，喇叭口处大里程段斜井拱架向正洞径向方向压弯。监控量测数据显示拱顶下沉及水平收敛值均已超出允许范围，沉降最大值已超出15.8cm，最大收敛超出50cm，拱顶下沉日收敛最大达到160mm。
2012年8月5日上导坑施工至DK134+870，施工期间围岩收敛变形一直变化较大，为确保施工安全，采取仰拱、二衬紧跟掌子面开挖，及时封闭成环施工方法组织施工，进度缓慢， 2012年9月16日掌子面施工至DK134+895，仰拱施工至DK134+890，二衬施工至DK134+863。2012年8月18日晚从已施工仰拱段DK134+870～890中下导交接处拱腰位置整体巨变收敛，其中右侧最大收敛达100cm，左侧收敛达70cm，拱顶由于受侧向水平收敛影响，平均下沉20cm，存在严重施工安全隐患。
2.变形处理方案
根据工程项目的复杂、难易程度，施工单位制定了专门的施工方案《二青山隧道1#斜井变形段换拱施工方案》。
（1）从2#斜井弃碴场拉石碴及时对DK134+870～890段中下导坑进行回填反压处理，回填高度3.5米，控制收敛变形，确保DK134+870～DK134+890整体稳定，防止变形加大导致隧道整体坍塌灾害。
（2）对变形体段DK134+870～+900段已成型中上导坑初期支护进行全断面径向注浆固结处理，预防替换拱架施工造成二次扰动变形加大，导致坍塌不安全隐患事故发生。
（3）注浆完毕待注浆强度符合要求后，从DK134+870开始用风镐在变形初期支护的两榀钢拱架之间开槽凿除初期支护侵限部分，槽宽50cm，测量满足设计断面要求后，安装新的I20钢拱架，并按设计要求施作好系统锚杆，锁脚锚管（Φ42mm×3.5mm无缝钢管、锚管长3.5m，每处2根）。采用同样方法继续施工处理、安装第二榀新I20工字钢拱架，施工系统锚杆、锁脚锚杆后利用风镐凿出两榀拱架之间侵限初期支护喷射混凝土及拆除变形旧I18钢拱架，安装钢筋网片，纵向连接筋，报监理检查合格后立即喷射混凝土封闭。以此类推间隔替换侵限格栅拱架施工至DK134+890。
（4）仰拱、二衬及时跟进封闭成环确保DK134+870～890段落整体施工安全。
3.监测与分析
开挖是隧道软弱围岩产生的洞周收敛变形主要原因。岩体分为坚硬岩体、软弱岩体和极软岩体。坚硬岩体，洞周的内空收敛变形由开挖导致；软弱岩体和极软岩体，围岩具有特殊性，变形量大，而且变形规律不同。欲做好隧道设计和施工安全，需正确地认识软弱围岩的变形规律。
（1）分点锚固式多点伸长计原理
测杆件和测头组成分点锚固式多点伸长计。其原理是：首先将伸长计的锚头锚固于钻孔中的各测点上，然后通过测杆将锚固头延伸至孔口测试面板旁，透过百分表观测相对位移，即测点与隧道岩体上各参考点的相对位移。通常在百分表测杆上置放球面状表托，增加测试杆与测试面板的接触和保证垂直性，减少测量误差和增加测试的重复度。
分点锚固式多点伸长计的安装步骤：钻孔后测量深度，准备一套安装杆（和辅助安装设备），要求其深度与孔深一致；连接锚固件和杆件，往锚固筒中灌注水泥砂浆；利用安装杆将组装好的测试器送至测试点，利用杆件间的相对移动挤出水泥，完成第一个测点的安装，将锚固筒锚固于孔；卸下安装杆，重复上述步骤，安装其他测试点；清理孔口，按顺序把连接各侧头并套入护管和把连接面板的测头锚固筒插入孔口，并保持1m左右的测量空间。
本工程研究采用4点监测，测量精度为0.101mm，量程为0~100mm。测杆件安装孔直径为76mm,测头安装孔直径为110mm。
（2）变形监测内容及频率
隧道软弱围岩变形监测点选取很重要，关系着监测结果的可靠与准确。综合考虑测量方法的可操作性和可靠性、成本和指导作用等因素，选取拱顶下沉和周边水平收敛作为变形监测必测项目，用于日常施工管理使用。
布置监控测量点，对初支变形段在施工过程中产生的变化进行观测，提供数据指导换拱施工。监控量测的频率根据相应规范要求进行，由于原初期支护变形量大，每天监测频次不少于4次，监测结果及时反馈。如果发现围岩变形突变，应该马上停止换拱施工，分析突变原因，并及时向相现场管理人员汇报，研究进一步处理方案。
（3）监测结果
根据二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段的周边水平收敛位移曲线图（如图1）可知，上侧线呈梯形，而下测线呈抛物线形。
图1断面周边水平收敛曲线图图2断面拱顶沉降曲线图
而拱顶中间测点的沉降变化曲线（如图2）呈梯形。
（3）分析
根据初期支护断面测量检测成果，确定初期支护拱架替换里程段落，为防止换拱作业过程中初期支护变形，在换拱施工前对换拱段落初期支护进行全断面注浆预加固处理，然后再采用风镐凿除两榀拱架之间喷射混凝土，重新安装I20钢拱架进行二次初期支护。
由于测量过程中人为或是外界（气候、环境等）的影响，用数学方法对实测数据进行处理，规避因测量结果存在偶然误差而引起的离散性，或是减少离散性对结果的影响。综合考虑台阶法施工中，对下一台阶的开挖会对上一级或是已开挖隧道上层围岩产生二次扰动，利用回归分析法对二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890断面测量的原始数据进行曲线拟合，如图3所示。
图3 二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段断面围岩变形回归分析
4.结论
正确地认识软弱围岩的变形规律，是做好隧道设计和施工安全的前提；获取真实可靠的测量数据并对其进行数据分析和综合分析研究，可以完善设计方案和正确指导施工。本文通过对二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段隧道软弱围岩段的施工现场监测分析，研究了其隧道软弱围岩的稳定性，得出如下主要结论：
（1）二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段拱顶下沉和周边水平收敛实时监测变形曲线可以分为三个阶段：快速变形阶段、缓慢变形阶段和趋稳阶段。
（2）利用回归分析法对现场实测数据进行分析，可预测到围岩较精确地的最终变形量，并对围岩和支护结构的稳定性进行评估和判断，监测测量分析结果表明下台阶开挖四十天后便可对其进行二次衬砌。
（3）施工现场监测测量综合分析结果表明，二青山隧道1#斜井DK134+870～DK134+890段洞段采用台阶法施工是可行的。
