连拱隧道地质超前预报及监测分析
2015-06-11
1前言
对于大多数隧道来说，通常围岩的性质不能改变，隧道的稳定性能主要取决于隧道的支护体系[1]。而高速公路隧道的特点是断面大、隧道长，隧道掘进面前方和洞口的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水等灾害的发生[2]，因此，专业的地质工程技术人员对于围岩和支护应力变化的监控量测、地质超前预报及隧道的动态设计施工，保证隧道的安全施工意义重大。
隧道施工地质任务包括长短期超前地质预报、隧道围岩类别的进一步准确鉴别、施工中重大地质灾害的监测、判断和防治建议以及针对围岩的不同地质条件提出相匹配的施工方法和施工技术建议[3]。通过对量测数据的整理和分析所得到的信息及时反馈到设计和施工中，以进一步优化设计和施工方案，实现安全、经济、快速施工的目的[4]。而合理有效的超前地质预报能极大地减少塌方、突水、突泥等地质灾害，保证施工的顺利安全进行，同时极大地降低工程成本[5]。
2枫树岭隧道工程地质概况
浙江某高速公路枫树岭隧道长422m，其中明洞25米，暗洞397米，明洞按明挖施工，暗洞按新奥法施工。隧道由出口端开始施工，当时左洞前247m已完成二衬施工，右洞前65m以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，岩石破碎，节理裂隙极发育，地形以陡坡地形为主。预报前施工至隧道中段围岩以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主，地形以高山山顶地形为主，岩体节理裂隙稍发育，局部岩石较破碎。
该隧道进洞口段地形坡向北西，坡度10～15度，上部分布零星残积亚粘土，以下为凝灰岩，洞顶埋深5～20米。3倍洞径内主要围岩为全、强、弱风化层，围岩稳定性较差，地下水贫乏，雨季沿裂隙渗入出现滴水或溢流现象。洞口自然边坡平稳。
出洞口段地形坡向东，坡度25～30度（局部较陡），基岩裸露，基岩为凝灰岩，洞顶埋深0～33米。3倍洞径内主要围岩为全、强、弱风化凝灰岩。围岩稳定性差，地下水接受大气降水补给，水量贫乏,沿裂隙渗入隧道而出现滴水或溢流现象。洞口地段自然边坡较陡。
洞身地段，以陡坡地形、高山山顶地形为主。坡面基岩出露较多，靠近洞口地段围岩稳定性较差中部稳定性一般，风化裂隙发育，岩石破碎，岩体呈角（砾）碎（石）状，主要以弱风化层为主，地下水类型以基岩裂隙水为主，沿裂隙渗入隧道而出现滴水现象。
3隧道施工监测
本文结合双连拱隧道施工工艺特点，通过现场监控量测来判断围岩和隧道的稳定状态、保证施工安全、指导施工顺序、进行施工管理、提供设计信息。监测内容主要包括：初次衬砌、二次衬砌在内的支护体系的受力情况的监测。
3.1衬砌上的监测布置
由于双连拱隧道存在着左、右洞开挖的相互影响，开挖的工序直接影响着隧道结构的稳定性，其主要表现在初期支护和二次衬砌的应力变化上。初期支护应力监测点选择在隧道右洞一个断面上（布置图见图1）。一个钢筋计断面和一个土压力盒断面。钢筋计断面布置在钢拱架上主要测量钢拱架内力的变化，土压力盒断面布置在围岩和初衬之间，以监测围岩和初衬之间的压力。二衬的应力监测点选择在隧道左洞一个断面上（布置图见图2）。钢筋计断面布置在配筋上主要测量配筋的内力，土压力盒断面布置在初衬和二衬之间，以监测初衬和二衬之间的压力的变化。
3.2初衬应力监测具体布置与结果分析
可以看出初衬断面安装的土压力盒在监测初期左右拱部均产生了明显的波动现象，这与人为扰动和施工等因素有关，后期随着应力的逐渐调整可以明显看出三测点初始压力均有不同程度的增加，说明初衬正在发挥其承载能力，压应力总的变化趋势是随时间的推移而减小，认为是随着变形的发展，围岩的自承能力不断发挥，因此初期支护结构的应力趋于减小并稳定。这与隧道所采用的“新奥法”的思路是一致的，说明施工工艺及所采用的支护形式是恰当的。
可以看出初衬断面埋设的三测点钢筋计所得出的应力变化值在目前监测时期内均呈缓波状起伏且变化趋势基本一致，均为受压状态且两拱部钢拱架轴力大于拱顶的钢拱架轴力，这与围岩变形的发展有关。但监测出的三测点刚拱架轴力较小相对于钢拱架可以忽略不计，因此可以认为在此处的围岩基本稳定，没有太大的变形。
3.3二衬应力监测具体布置与结果分析
可以看出二衬断面埋设的5个测点的土压力盒在监测初期均向压应力增大方向发展，后随着应力的逐渐调整可以明显看出测点的压力均逐渐的趋于稳定且在较长时间内稳定的发展，说明围岩二衬的受力已趋于稳定。
可以看出二衬断面埋设的五个测点钢筋计所得出的应力变化值在目前监测时期内均呈波动起伏且变化趋势基本一致，先为受拉状态后转为受压，最后压应力在一段时间突然增大。这与隧道围岩变形的发展以及后续右洞的施工引起的应力重分布有着密切的关系。表明二次衬砌施作时围岩尚未完全稳定，应进一步优化施工方案；同时应注意施工先后对洞室稳定的影响，密切关注监测数据的突变。
4地质超前预报
枫树岭隧道地形以陡坡地形为主，左洞埋深较浅施工过程中为防止产生偏压对隧道的稳定性产生不利的影响，右洞停止施工，先进行左洞初衬的施工，左洞二衬逐渐跟进，待左洞进展到一定程度待支护体系已基本完成右洞再继续进尺。但由于左洞埋深较浅，基岩裂隙较发育，又由于当时雨水较大，雨水由裂隙渗入隧道对围岩的稳定性产生了极其不利的影响，在进尺过程中掌子面出现了不利的节理组合以及不利的围岩组成形式，按照工程地质调查与推断的地质超前预报方法，通过对掌子面的地质素描及地质分析对可能出现的问题做到了及时准确有效的超前预报。
4.1 K94+990断面地质超前预报
在隧道左洞掌子面桩号开挖到K94+990，通过对掌子面的素描及地质分析发现：该段埋深约87m，掌子面岩体较破碎，以红褐色凝灰岩为主，有渗水现象，岩石强度较低，表面光滑有油腻感，手折易断，遇水易软化。掌子面下部和中部均夹有约0.4～1m的岩体已有明显的泥化现象，初步判断可能为风化壳。掌子面节理发育，节理间夹白色钙质方解石脉。右洞壁距离掌子面5m处有局部滴水现象。
根据对掌子面的分析给出了以下建议：该段节理较发育，掌子面前方可能仍在一定范围内存在类似的风化壳，强度较低，泥化夹层可能延伸至洞顶，容易导致塌方，因此，施工时应有超前支护措施，并及时进行初期支护，适当增加锚杆长度及数量，并采取必要的安全措施，同时加强施工监测，在掌子面前方围岩开挖后，需进行洞内观察，及时采取相应措施，避免发生工程事故。之后施工方采用了工程技术人员的建议，及时采用了刚拱架的初期支护方案保证了工程的顺利进行。
4.2 K94+954断面地质超前预报
当隧道掌子面进展到K94+954时，根据掌子面的情况发育有四组主要的节理①②③④（见图8），从掌子面可以看到节理①被节理②所切断，在洞顶有5cm左右的错距，这种错断的节理在掌子面右部导致岩块塌落；
节理④和节理①②在掌子面中上部相交，形成极其不利的节理组合，其下部的人字形节理组合十分容易产生掉块；上部V字形节理组合由于倾向掌子面外部，在爆破震动、钻孔震动或裂隙水浸泡软化结构面时，出现小块岩石塌块。
节理③和节理①②均有不同程度的组合交切，这导致掌子面中下部围岩比较破碎，在钻孔时中部的破碎岩石有掉块现象。
而掌子面顶部的红色软弱夹层贯穿整个洞顶，由于其工程性质十分差，现在雨水又较多基岩裂隙水渗入隧道,对洞顶软弱夹层的稳定性产生极其不利的影响，已经出现直径20cm的岩块塌落。
根据掌子面情况技术人员给出的预报结果和建议是：
1） 在掌子面前方，节理②和节理①组合有可能继续发展并切割，形成危险的节理组合，极可能产生掉块；而红色软弱夹层有向洞内发展的趋势，其自稳能力十分差，因此施工时，必须注意观察其发展趋势，注意洞顶由此引发的掉块，建议实施锚杆超前支护；
2） 节理④和节理①②的不利组合在掌子面前方仍会发育，这种不利的节理组合对围岩稳定性有一定影响，在施工时，注意观察基岩裂隙水情况，并注意节理张开度，防止掉块；
3） 节理③和节理①②在前方掌子面左侧可能仍然会形成不利的节理组合，岩体会比较破碎，当节理③的长度在前方掌子面增大，并有向上延伸时，要注意掉块；
4） 该隧道岩体十分破碎，围岩初衬支护必须紧跟，当软弱层遇到大型岩块时，必须采取特殊的处理措施；爆破后，要及时、彻底的进行排险工作。同时工程技术人员需认真进行洞内观察，随时通知施工方及时采取相应措施，避免发生工程事故。
通过施工的实际情况来看，工程技术人员的地质超前预报在大多数情况下符合前方围岩发育的实际情况，由于预先进行了预测预报，既保证了施工的安全进行，同时对潜在的安全事故未雨绸缪，意义重大。
5结论及建议
根据以上对枫树岭隧道的监控量测及地质预报的分析可以得到以下结论：
1） 杨岭隧道围岩和初衬之间的压力变化基本不大，初衬支护措施起到了应有的效果，围岩应力重新分布对围岩稳定性的不利影响较小；
2） 杨岭隧道初衬和二衬间受力较小，且在较短时间内就可趋于稳定，配筋的轴力变化在一定时间内变化较大，这与隧道围岩变形的发展以及后续隧道的施工引起的应力重分布有着密切的关系，可结合监测数据的分析，动态施工，优化设计施工方案；
3） 根据对掌子面的分析，该隧道岩体十分破碎，
支护措施必须紧跟，当软弱层遇到大块岩块时，必须
采取特殊的处理措施；爆破后，及时、彻底的进行排险工作。同时需结合掌子面观察，采用工程地质调查与推断的超前预报方法，及时对施工前方的围岩状况做出相应预测，并及时采取相应措施，确保施工安全。
4） 连拱隧道的施工，由于双洞开挖有先后，因此后开挖洞室对先开挖洞室稳定性的影响较大，必须结合围岩实际情况，合理优化先开挖洞室的二衬施工时间和后开挖洞室开挖时间，确保洞室稳定。
