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随着国民经济的发展及隧道设计施工技术的不断进步,国内公路隧道得到大量的建造。目前国内隧道设计及施工多依照新奥法原理,新奥法核心之一即是利用监控量测数据调整隧道支护参数及预测隧道施工安全。可见监控量测在隧道施工中有着举足轻重的地位,当对监测数据如何进行预警目前主要有两种分析方法:其一,通过累计变形量做一预测;其二,通过变形速率进行判断[1]。方法一要求预先给出允许变形量,主要以经验得到,方法二预警时间容易滞后。本文主要通过采集典型土质单线三车道隧道得到的地表监测数据进行分析,对隧道塌方冒顶做一定的预测及分析。
1 工程概况
本工程隧道所经过地区在区域构造上属于粤中地块,早古生代时期属于加里东地槽褶皱带,中、新生代属于陆缘活化造山带的一部分,出现了大面积的岩浆侵入。右线出口洞口段为浅埋,地质主要呈红褐色、黄褐色、灰黄色、灰褐色,硬可塑,粘性差,为坡积土。隧道浅埋段开挖方式主要以双侧壁预留核心土开挖为主。
2 隧道右线洞内塌方情况
本工程隧道侧壁导坑塌方发生在右线右侧壁导坑和右线左侧壁导坑位置,右线右侧壁导坑塌方具体里程桩号为YK5+156,右线左侧壁导坑塌方具体里程桩号为YK5+154,右线右侧壁导坑塌方发生时间为2009年2月8日20时～2009年2月8日22时,右线左侧壁导坑塌方发生时间为2009年2月9日15时～2009年2月9日17时。从现场量测及计算得到右线右侧壁导坑塌方体高度 H=7.6 m,宽度 D=5.4 m,长度 L=6.6 m;从现场量测及计算得到右线左侧壁导坑塌方体高度H=7.7 m,宽度D=5.5 m,长度 L=8.7 m。
对隧道开挖过程中围岩受力模式改变较大,由于土体的坍塌势必会导致侧壁导坑拱顶产生一定的空洞区,类似椭球形,上下方向较大而横向较小[2]。
3 监控量测采取措施
3.1 测点埋设
由于在核心土开挖过程存在整体下沉的可能,为监测隧道顶部地表下沉情况,在断面YK5+156.5及断面YK5+153对应地表位置共布设5个监测点。
3.2 监控量测数据采集及分析
从2009年12月12日开始采集数据,地表沉降观测期间,通过对沉降曲线的分析,我项目部多次以电话和书面形式报告给业主、监理和施工单位,并引起相关单位一定的重视。具体沉降变化曲线见图1。
从变化曲线看出,地表沉降主要分为四个阶段:1)匀速变化:主要发生的日期为2009年2月13日～2009年2月 26日,这段时间地表沉降的变化主要以较小的速率(约1.0mm/d)增加。隧道右线侧壁导坑发生塌方后,不稳定能量基本释放完毕,隧道覆盖层在无外力作用下处于匀速变化状态,上覆土层不稳定。2)持续沉降:主要发生的日期为 2009年 2月 27日～2009年 3月 11日,这段时间隧道开始进入开挖塌方位置侧壁导坑仰拱部位及侧壁导坑掌子面正常施工,同时此段时间出现较平凡的降雨。雨水通过上覆土层空隙进入围岩体内,使土体的抗剪强度明显降低[3]。此阶段地表便以约2.0mm/d速率沉降,累计变化量较大,危险信号出现。3)加速沉降:主要发生在2009年3月12日～2009年3月29日,此段时间地表主要以近3.0mm/d速率沉降,沉降曲线无收敛趋势,危险信号非常明显,隧道极易发生冒顶。土体受水体浸泡,抗剪强度进一步降低。4)破坏阶段:发生在2009年3月 30日,由于上覆土体在外力(包括水)的作用下,土体强度降低,故上覆土体在最薄弱环节发生相对位移,进而塌陷冒顶发生。
上述综合了地表沉降变化的相关信息,可以得到隧道上覆土体在发生塌陷冒顶前期,其给出的危险信号是比较明显的。
考虑到此次隧道塌陷为隧道内部相同里程位置塌方后续发展,分析塌陷的主要原因如下:
1)从地质钻探孔看出塌方位置的围岩较差,主要以全风化及强风化混合岩为主,围岩抗剪强度较低,粘聚力较小,破碎极其严重。2)由于前期塌方在上覆土层已经形成一个较大规模的空洞,施工过程在采取注浆等一系列措施时,空洞周围由于围岩密实,浆液很难跑到空洞之中,故此空洞是此次塌陷冒顶的主要内因[4]。3)隧道在施工掘进的过程中在一定的范围内对上部土层存在一定的扰动,外动荷载的作用易引起土体发生缓慢的位移变化。同时隧道内部的开挖使围岩受力模式及上部荷载传递途径发生一定的变化,上部土层不同的受力情况使隧道上覆土层需达到应力平衡。4)从观测的沉降曲线可以看出,水体对上覆土层的作用在地表沉降起到主导作用。雨水使土体的粘聚力减小,降低了土体的抗剪强度,在土体自身荷载作用下,空洞上部土体自重超出土体自身的抗剪力,故塌陷发生,水的作用是主要的外因。
上述主要分析了塌陷的主要原因,前期塌方出现的空洞为这次塌陷提供了必要条件,雨水的外力作用又给出了充分条件。
4 结语
通过本次冒顶事故的监控量测分析,可见监控量测可以有效的预测隧道浅埋段冒顶事故。通过对监测量控数据累计变化量结合变形速率判断围岩稳定性可以有效避免多次不合理预警。同时在文章内指出多雨地区在隧道施工过程中一定要注意雨水对隧道浅埋段围岩物理力学性质的影响。
[1] JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].
[2] 贺 威.旗山形隧道塌方原因分析及处理技术[J].公路工程,2008(6):98-100.
[3] 陈亚林.隧道塌方原因与处理[J].西部探矿工程,2006,18(10):182-185.
[4] 将爵光.隧道工程地质[M].北京:中国铁道出版社,1991.
[5] 李树茂.茶林顶隧道工程地质综合勘察[J].山西建筑,2008,34(19):310-311.
