风化砂岩隧道塌方处治及智能应力应变监测分析
覃珍波 薛魁 黄彬华
在风化砂岩地区修建的隧道由于围岩结构层之间粘聚力低，容易出现掉块及滑塌等现象。文章以广西某高速公路隧道施工为背景，针对隧道施工中出现的塌方现象，分析了塌方成因与处治措施，并采用智能应力应变监测技术，收集病害处治处实时的隧道围岩应力与应变数据以及支护结构健康情况等信息，反馈支护结构工作状态，以判断支护结构的稳定性，为后续类似隧道工程提供参考。
隧道施工;风化砂岩;塌方;病害处治;应力应变监测
U458.3A301072
0 引言
在砂岩地区修建的隧道，由于风化砂岩的围岩结构面发育，层间粘聚力很低，掌子面常有少量或大量流水。水会使得块状岩体间的粘聚力减弱，开挖后产生的空洞导致岩体有空间往下坠落。虽然围岩岩体表观较完整，但是稳定性较弱，容易掉块及滑塌。本文以广西某高速公路隧道施工为背景，针对隧道施工中出现的塌方现象，通过病害处治后，采用智能应力应变监测技术，收集病害处治处实时的隧道围岩应力与应变数据以及支护结构健康情况等信息，反馈支护结构工作状态，以判断支护结构是否稳定，为后续类似隧道工程提供参考。
1 工程概况
广西某高速公路隧道桩号为ZK424+195～ZK429+537（5 334 m）/YK424+203～YK429+520（5 325 m）。左线Ⅴ级围岩714 m，Ⅳ级围岩2 150 m，Ⅲ级围岩2 470 m，Ⅳ、Ⅴ级围岩占比53.6%;右线Ⅴ级围岩705 m，Ⅳ级围岩1 990 m，Ⅲ级围岩2 630 m，Ⅳ、Ⅴ级围岩占比50.61%。软弱围岩占比较高，属中-强风化砂岩。
2 隧道塌方处治
该高速公路隧道右线YK429+611～YK429+608于开挖过程中出現滑塌，塌方高度为3 m，纵向长7 m，塌方方量约60 m3，初支型钢被损坏2榀。
2.1 塌方原因分析
隧道开挖至该掌子面时，围岩揭露为中-强风化砂岩，掌子面左侧为巨厚层砂岩，右侧为薄层砂岩，结构面发育，呈镶嵌碎裂结构，层间粘聚力很低，掌子面呈淋雨状出水。水使得块状岩体间的粘聚力减弱，开挖后产生的空洞使得岩体有下坠空间。
2.2 处治措施
（1）加强隧道右线YK429+611～YK429+608段初支，该段初支原设计为Ⅳ围岩支护，采用Ⅰ20b型钢拱架加强，纵向间距为50 cm。
（2）拱顶上方空腔部分应及时采用C20混凝土泵注填满。
（3）隧道二衬由原设计40 cm加厚至50 cm。
（4）应严格遵循“短进尺、紧支护”的原则进行开挖。
3 隧道智能应力应变监测
针对该隧道围岩复杂多变、病害多发的情况，项目拟在上述病害段布设智能应力应变监测系统。
3.1 监测点布设
为监测病害处治后隧道的稳定性，需要监测二衬同初支之间的应力。
钢筋应力量测和混凝土应力量测应布置在同一个断面，岩层变化处应调整或增设量测断面。钢筋应力量测和混凝土应力量测断面按间距3 m布设。
（1）钢筋应力监测。钢筋应力监测点布置在隧道拱顶和拱侧位置。初读数应在浇筑混凝土后12 h内读取，最迟≤24 h。
（2）土压力监测。
根据本工程实际，确定土压力测线分别布置在拱顶和拱侧位置。量测断面间距为3 m和5 m。初读数应在安装后12 h内读取，最迟≤24 h。
（3）钢表面应变测量。
钢表面应变测点布置在隧道钢拱架拱顶和拱侧位置。通过对监测结果进行分析，可以得出累计应变、单应变等曲线，并可对其进行拟合，进而预测其最终应力，用以指导施工。
（4）混凝土应变测量。
混凝土应变测点布置在隧道钢拱架拱顶和拱侧位置。量测断面间距为3 m和5 m。初读数应在安装后12 h内读取，最迟≤24 h。将量测结果进行分析，可以对隧道洞室的最终变形进行预测，从而达到指导施工的目的。
（5）线路布设及调试。
在每个监测计引出一条数据传输光缆，汇集到信息采集箱。采集箱内的数据传输到值班室的数据端。安装好后进行设备调试，采集初始数据。
3.2 监控量测数据处理
监测点布设完成后，需对现场进行量测并采集原始数据。由于现场量测所得的原始数据不可避免具有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测试错误[1]，故需要剔除个别具有明显异常的数据。剔除异常数据后，分析对比同一量测断面的各项数据并相互印证，确保量测结果的可靠性。在判定围岩和支护系统状态方面，通过寻求围岩变形或支护系统的受力随时间变化和空间分布规律来实现[2]。
现场量测数据是随时间和空间变化的，可以用变化曲线关系图表示量测现场的情况，绘制位移、应力与时间t的关系曲线，如图1～2所示。
从图1可知，钢筋应力在允许范围以内;在图2中，土压力与时间关系曲线平缓。可见通过病害处治后围岩自稳能力较高，虽然左侧拱脚处土压力呈上升趋势，但是压力较小可忽略，后续继续观察土压力无突变情况且在规范允许范围内，可判定支护结构处于稳定状态。
4 结语
（1）风化砂岩类型隧道围岩情况复杂多变，围岩稳定时不能掉以轻心、盲目加快施工进度。若出现岩层产状为顺层形式或沿节理面有水渗出时，极易发生
掉块滑塌。出现该种情况应减小每循环施工进尺，进行弱爆破并加强超前支护，避免灾害发生。
（2）通过智能应力应变监测技术，实时掌握围岩应力应变数据以及支护结构的工作状态信息，判定病害处治效果。而智能应力应变监测技术不仅仅只用于监测病害处治，还可用于隧道施工的每一环节，达到确保安全施工的目的。
[1]金 松，潘 龙.浅谈山区高速公路双连拱隧道监测的意义[J].工程与建设，2008，22（2）：252-254.
[2]卿立春.隧道工程监控量测技术[J].科技风，2010（7）：127-128.
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