大斷面小凈距鶴上隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試分析

大斷面小凈距鶴上隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試分析

1小凈距隧道trt目前，中國(guó)主要采用鉆探法，采用光面爆炸技術(shù)，但爆炸仍會(huì)影響隧道一定深度內(nèi)的圍巖。同時(shí)，隧道開(kāi)挖破壞了原始巖石的應(yīng)力平衡，圍巖的應(yīng)力被重復(fù)分布，導(dǎo)致應(yīng)力集中。如果集中的荷載超過(guò)圍巖的壓力，隧道圍巖將發(fā)生變化。破壞過(guò)程中會(huì)獲得新的應(yīng)力平衡，造成一定程度的松動(dòng)破壞，即隧道圍巖的松動(dòng)圈。小凈距隧道是空間近距離雙設(shè)隧道在同一參考平面的布置方式之一,其結(jié)構(gòu)介于雙孔分離式隧道和連拱隧道之間,目前國(guó)內(nèi)雙洞小凈距公路隧道的凈間距取值一般為2～8m,遠(yuǎn)小于現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)規(guī)定的不同圍巖類別情況下雙洞間最小凈距。顯然,小凈距隧道由于間距較小,必然導(dǎo)致施工擾動(dòng)影響的相互疊加,使得洞周圍巖塑性區(qū)和變形松動(dòng)范圍進(jìn)一步增大,危害隧道施工穩(wěn)定。因此,有必要對(duì)小凈距隧道圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)行測(cè)試和分析,明確隧道施工過(guò)程中圍巖的變形及受力特點(diǎn),以驗(yàn)證支護(hù)體系在設(shè)計(jì)上的合理性,同時(shí)也為下一步施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)和指導(dǎo),確保隧道圍巖的穩(wěn)定性和施工安全。2范圍大質(zhì)量模型材料鶴上隧道位于福州國(guó)際機(jī)場(chǎng)高速公路(一期)工程A3標(biāo)段,為福建省第一座三車道小凈距公路隧道,在國(guó)內(nèi)也是罕見(jiàn)的。該隧道設(shè)置為接近平行的雙洞,左、右線隧道樁號(hào)均為:K6+250-K6+700,隧道長(zhǎng)450m,隧道內(nèi)空斷面凈寬15.052m、拱高8.1m,含仰拱的總高度為10.4m,最大開(kāi)挖跨度為16.692m,中間巖柱最小凈距僅為5.66m,約0.38D(D為隧道開(kāi)挖跨度)。該隧道路段屬剝蝕低山丘陵地貌,進(jìn)口段天然坡角為16°,出口天然坡角為20°,地形起伏較大,洞身段最大埋深約為62m,洞口淺埋段埋深4～10m,洞口從外到內(nèi)為Ⅱ、Ⅲ類圍巖,隧道中部F9A斷層附近有約40m的Ⅱ、Ⅲ類圍巖,其余均為Ⅳ類圍巖,主要巖性為凝灰熔巖。隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸如圖1,洞口Ⅱ類圍巖段采用中隔壁法施工,開(kāi)挖前設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為復(fù)合襯砌,以錨桿濕噴混凝土、鋼筋網(wǎng)等為初期支護(hù),并輔以鋼支撐、注漿小導(dǎo)管等支護(hù)措施。3松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)方案3.1其他測(cè)試方法目前,圍巖松動(dòng)圈測(cè)試方法主要有聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、電阻率法和滲透法等,這些方法在煤礦和隧道工程中得到了大量的應(yīng)用,此外,還有一些其他測(cè)試技術(shù),如鉆孔光學(xué)電鏡法、放射性元素法等。本文結(jié)合鶴上隧道施工監(jiān)控量測(cè)的工程實(shí)踐,僅對(duì)聲波法和多點(diǎn)位移計(jì)法兩種測(cè)試方法進(jìn)行分析和探討。3.1.1隧道圍巖織物波速檢測(cè)聲波法是圍巖松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)中最常用的一種方法,測(cè)試儀器簡(jiǎn)便。聲波的波速隨介質(zhì)裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低,隨應(yīng)力增大、密度增大而增加。因此,測(cè)得的聲波波速高則說(shuō)明圍巖完整性好,波速低說(shuō)明圍巖存在裂縫,圍巖有破壞發(fā)生。測(cè)出距離圍巖表面不同深度的巖體波速值,作出深度和波速曲線,然后再根據(jù)有關(guān)地質(zhì)資料可推斷出被測(cè)試隧道的圍巖松動(dòng)圈厚度。目前,常用的超聲波測(cè)試方法是單孔測(cè)試法,采用一發(fā)雙收的裝置,即在斷面上確定測(cè)試點(diǎn),在測(cè)點(diǎn)處鉆孔,然后將圓管狀聲波探頭置入鉆孔,孔內(nèi)注滿水以使探頭和孔壁有良好的聲耦合,孔口裝有堵水器,逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,直到各點(diǎn)測(cè)試完畢,測(cè)試儀器示意見(jiàn)圖2。3.1.2滑動(dòng)區(qū)與不滑動(dòng)區(qū)的分界點(diǎn)采用多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量圍巖內(nèi)部不同深度點(diǎn)的巖石位移情況,根據(jù)位移計(jì)測(cè)試的位移量和時(shí)間曲線,可以看出圍巖中不同深度巖石向空間內(nèi)位移的情況,位移量隨時(shí)間變化大說(shuō)明該點(diǎn)位置以內(nèi)的巖石有破裂,因此由不同點(diǎn)的位移與時(shí)間曲線的變化大小,可以找到松動(dòng)區(qū)與不松動(dòng)區(qū)的分界點(diǎn)。實(shí)際施工和操作中,就是將多點(diǎn)位移計(jì)裝入鉆孔中的一些固定點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)安裝在不同的深度,然后通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)出不同點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移量,測(cè)出每個(gè)點(diǎn)向巷道內(nèi)的位移量,并將這些點(diǎn)的位移時(shí)間關(guān)系繪制在坐標(biāo)圖上,從而得出不同深度的巖層隨時(shí)間的位移量,圍巖松動(dòng)圈的邊界就是看不同深度點(diǎn)位移量變化的區(qū)別。3.2單孔測(cè)試方法根據(jù)隧道的工程地質(zhì)情況和巖體的力學(xué)性質(zhì),并結(jié)合工程的進(jìn)度,選擇代表性的斷面布置測(cè)孔,測(cè)孔布設(shè)位置如圖3所示。圖中編號(hào)C01～C04為聲波測(cè)試法測(cè)孔,孔徑為50mm,孔深為3.3m左右,在本監(jiān)測(cè)中,采用RSM—SYS5聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試,方法為一發(fā)雙收的單孔測(cè)試法;圖中K01～K06為多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)孔,布設(shè)在隧道出口端K6+630斷面,每孔布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn),各測(cè)點(diǎn)距隧道開(kāi)挖周邊的距離如圖中所示,位移計(jì)在隧道未開(kāi)挖時(shí)預(yù)先從地表埋設(shè),以監(jiān)測(cè)隧道圍巖在施工過(guò)程中的變形特征。4測(cè)試結(jié)果分析4.1爆破對(duì)圍巖波速的影響圖4為隧道中間巖柱部位C01、C02測(cè)孔聲波法測(cè)試變化曲線,圖5為隧道外邊墻C03、C04測(cè)孔聲波法測(cè)試變化曲線。以C02孔為例進(jìn)行分析,從圖中可以看出,在孔口段波速較小,最低波速3512m/s,表明孔口處由于爆破開(kāi)挖的影響,圍巖比較破碎,為應(yīng)力降低區(qū);隨深度增加,聲波波速逐漸增大,表明爆破造成的影響逐漸變小,在深度約為1.4m處聲波波速達(dá)到極大值,波速約5754m/s,大于原巖波速,分析認(rèn)為,此處圍巖由于注漿加固壓密作用形成應(yīng)力升高區(qū);在深度約1.8m處之后波速略有減小,但幅度不大,變化較為平穩(wěn),波速大約穩(wěn)定在5400m/s左右,可以認(rèn)為此處的圍巖基本不受施工爆破影響,為原巖應(yīng)力區(qū)。由本工程測(cè)試結(jié)果分析,該監(jiān)測(cè)斷面兩邊墻處圍巖松動(dòng)范圍在2.2m左右,而中夾巖部位圍巖松動(dòng)范圍在1.4m左右,小于兩側(cè)邊墻部位,這也表明對(duì)中夾巖部位進(jìn)行超前預(yù)注漿加固和系統(tǒng)支護(hù)后,圍巖強(qiáng)度有所加強(qiáng),加固效果較好。4.2圍巖位移分析以K03測(cè)孔4個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析,該測(cè)孔各點(diǎn)位移時(shí)程變化曲線如圖6所示。從圖中我們可以看出,測(cè)試初期,右洞開(kāi)挖面未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面,儀器處于自身調(diào)整階段,位移變化微小,當(dāng)右洞內(nèi)側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階先后施工通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí),1#、2#測(cè)點(diǎn)處圍巖位移迅速增長(zhǎng),分別達(dá)到35mm、42mm,而3#、4#測(cè)點(diǎn)位移則較小,分別僅為5mm、1mm,隨后各點(diǎn)很快均達(dá)到穩(wěn)定,位移增長(zhǎng)不大。由此可以推斷,洞周圍巖在1#、2#測(cè)點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生了破裂,變形量較大,圍巖松動(dòng)圈外邊界在2#～3#測(cè)點(diǎn)之間,約為3.5m左右。限于篇幅,其他測(cè)孔各點(diǎn)位移時(shí)程曲線暫不列出,僅繪制了各個(gè)位移計(jì)測(cè)孔中四個(gè)測(cè)點(diǎn)的最終位移分布圖,如圖7所示,從各測(cè)孔位移分布結(jié)果可以得出類似的分析,結(jié)果表明,該監(jiān)測(cè)斷面6個(gè)測(cè)孔處圍巖松動(dòng)圈范圍均大約在3.0～3.5m之間,圍巖松動(dòng)范圍分布較均勻。5位移計(jì)、聲波法等測(cè)試結(jié)果分析聲波法所測(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍在中夾巖和兩外邊墻處分別為1.4m和2.2m左右,位移計(jì)法測(cè)試拱頂部圍巖松動(dòng)圈范圍大約在3.0～3.5m之間,即是洞頂部測(cè)試圍巖松動(dòng)范圍比邊墻和中夾巖部位測(cè)出的結(jié)果要大,基于測(cè)試結(jié)果,有以下幾點(diǎn)分析:(1)多點(diǎn)位移計(jì)是在隧道未開(kāi)挖時(shí)便預(yù)先從地表埋設(shè),它所測(cè)試的結(jié)果包含了圍巖在整個(gè)隧道施工過(guò)程中的全部變形信息,它是隧道圍巖最原始、最真實(shí)位移特征的表征。(2)聲波法測(cè)試時(shí),圍巖已經(jīng)經(jīng)歷了施工擾動(dòng)和支護(hù)加固的綜合影響,測(cè)試松動(dòng)范圍小于位移計(jì)測(cè)試結(jié)果,表明預(yù)注漿加固和噴錨支護(hù)后,壓密作用使得圍巖整體性和穩(wěn)定性提高,加固效果明顯。(3)本工程中該斷面系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4.0m,能夠滿足工程實(shí)際的要求,而且,從后