(附件4)软岩富水隧道各部位变形监测及分析

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附件4关于软岩富水隧道初支变形监测及分析1工程背景福宝山隧道位于湖北省利川市境内，齐耀山背斜东南翼，出露以砂岩为主的须家河组和泥岩夹砂岩、页岩、泥灰岩为主的巴东组地层。该区大气降水是地下水的主要补给来源。地表地形起较伏大，沟谷切割较深；地下水以裂隙渗流为主，地下水位基本连续；地表地下水露头极少。测区内T[3]xj及J[1]z的碎屑岩类为透水层，T[2]b地层为阻水层，在二者交界处（一般在山前坡脚处）易形成下降泉或上升泉，故山前一般地下水较发育。向斜为储水构造，在其轴部含水量丰富，是新建渝利铁路六大高风险隧道之一。其中中铁五局一公司隧道十队负责施工的DK259+016～DK258+200段围岩以泥岩为主，夹薄层砂岩，围岩破碎～极破碎，岩质软，含水（渗水），局部呈雨淋状，围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级，稳定性差，泥岩膨胀系数高达1.78。隧道初支面变形严重（见图1，图2），给前期的施工带来了极大的困难。 图1图22隧道监测方案由于地质条件比较差，采用三台阶七步法开挖，开挖与支护的步序多，且泥岩膨胀系数较高，尤其是富水地段，直接影响着隧道围岩和衬砌结构的稳定，特别是初期支护阶段，受力更为复杂，而目前国内可供借鉴的工程经验不多，施工方法都还不太成熟。复杂的环境条件对地面沉降控制提出了非常高的要求。一进入该地段，根据工程结构型式、施工工艺、开挖后围岩应力重分布和现场施工经验得出：1）拱顶主要为上部围岩产生的竖向应力；2）拱腰上中台阶连接处受到竖向和横向应力的作用，主要变现形式还是以下沉为主；3）中下台阶连接处受到上部环向轴力传递和附近围岩挤出效应的叠加影响，主要表现以净空收敛为主；4）内轨顶上1m处受到附近围岩挤出效应的影响，表现为净空收敛。监测项目和典型测点布置断面如表l和图3所示。根据铁路规范对布置点进行每日一测，直至仰拱施工完毕成环。 3监控数据分析本文重点对典型部位的变形监测成果进行了分析研究。3.1拱顶沉降下图4所示为初支结构施作后拱顶沉降量随时间的变化曲线，可以看出：1）拱顶由于受到上部竖向应力的作用，存在较大的沉降量，在10～15cm之间。 1）由于DK258+925～905段水压较大，掌子面呈雨淋状，透过初支面渗出，此段沉降量相比于DK258+950～925段大5cm。2）初支结构在上台阶支护成型初期和下部台阶开挖的时候变形量占有较大比例。其中爆破对围岩和初支结构的扰动是主要因素，另外，初支结构的自身重量（喷射混凝土）也会对沉降产生一部分影响。图4DK258+940~910段初支拱顶沉降时程曲线图3.2拱腰沉降下图5所示为初支结构施作后拱腰沉降量随时间的变化曲线，可以看出：1）拱腰由于部分应力转化成水平收敛，沉降量与拱顶相比要小，在10～12cm之间。但收敛量相对沉降量较小，变形还是以沉降为主。2）通过对拱腰位置沉降桩的观测可以充分证明，其中爆破对围岩的扰动会对初支结构造成较大的影响。DK258+920中下台阶左线和右线施工时间间隔为四天，因此时沉曲线也相应的向后位移四天。而DK258+910处左右线施工间隔仅为一天，因此时沉曲线位移并不大，两条曲线几乎是一致的。3）由于此段隧道埋深均在50米以上，岩层倾角不大，几乎与隧道内轨顶线是平行的，因此未产生偏压，左右线拱腰沉降量相差不大。 图5DK258+925~905段初支拱腰沉降时程曲线图3.3水平收敛下图6所示为初支结构施作后水平收敛量随时间的变化曲线，可以看出：1）DK258+925～905段水压较大，掌子面呈雨淋状，透过初支面渗出，泥岩在富水地段长期受水侵蚀，由膨胀引起的挤出效应更明显，因此与此段沉降量一样，相比于DK258+950～925段要大。2）通过水平收敛量测数据分析可以得出仰拱开挖和施工对相应里程的水平收敛影响较大，原先趋于稳定的水平收敛出现二次较大的收敛变化，并以20mm/d的速度递增，由于挤压速率过快，下台阶局部会出现横向裂缝，沿着仰拱施作方向发育（见图2）；在两环仰拱开挖连接处存在受力差异还会出现沿环向的裂缝（见图1）。因此，仰拱开挖后必须加快施工进度，确保工程安全。3）通过DK258+920位置两个收敛观测点的比较，2号观测点较之1号观测点水平收敛值更大。在初支落底到仰拱开挖之前2号收敛观测点（内轨顶上1m 位置）相比1号观测点（中下台阶连接位置）收敛值要小，此阶段初支中部位置水平收敛较大；而在仰拱开挖和施工阶段，2号收敛观测点相比1号观测点收敛时程曲线跨越幅度更大，在此阶段，初支下部位置收敛值变化较之中部位置要大得多。1）仰拱施工完毕后收敛基本无变化，曲线趋于平稳。图6DK258+950~905段初支水平收敛时程曲线图4施工测量及保护措施通过对DK258+950~905段监控量测及数据分析，为了保证工程的安全，有效控制初期支护变形的发展。施工中采取了以下措施：1）根据监控量测提供的数据，根据不同围岩特点制定不同的预留沉降、收敛值。泥岩浸水地段全环放大15cm放样，遇到前方掌子面渗水呈雨淋状或出现股水，提前一环将预留值放大至20cm。2）针对富水软岩地段稳定性很差的情况，对松散地层进行注浆加固，从而改善支护结构受力情况，达到加固土体和止水的目的。（见图1）3）严格控制进尺长度，开挖后立即施作初期支护，将上部地层压力传到未被扰动岩层上，并进一步通过桩传到深部地层中，保证围岩的稳定。型钢脚趾用木楔子垫紧，严禁在脚趾位置回填虚碴。4）仰拱和二衬施工及时更近，保证安全距离，尤其是加快仰拱施作。隧道虽然属于软岩富水隧道，且断面尺寸 比较大，但由于施工过程中结合监测资料反馈信息及时采取了有效的工程措施来控制变形，因此整个隧道施工过程中，除局部初期支护出现不可避免的开裂现象和侵限外，之后将近一千米的施工均为出现侵限现象，并且很好的保证了工程进度，并在2010年9月份创出了Ⅳ级围岩三台阶工法开挖支护141米的公司记录。