秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施工监测及分析.pdf

第2 3 卷第 3 期 2 0 0 6年 9月 建筑科学与工程学报J o u r n a l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n gVo l.2 3 No.3 S e p t.2 0 0 6文章编号:1 6 7 3-2 0 4 9(2 0 0 6)0 3-0 0 7 1-0 5秦岭终南山特长公路隧道大埋深段 施工监测及分析陈建勋，杨忠2袁雪截2(1.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，陕西 西安7 1 0 0 6 4;.陕西秦岭终南山公路隧道有限责任公司，陕西 西安7 1 0 0 5 4)摘要:为了探讨在大理深、软弱围岩条件下，隧道围岩变形、围岩压应力和支护结构的力学特征，采用S WJ-N型收敛计、振弦式土压力盒等测试元件，对秦岭终南山特长公路隧道埋深大于 1 2 0 0 m的lu类围岩地段，进行了净空收敛变形、围岩压应力、喷射混凝土应力、钢架应变、锚杆轴力等监控量测。结果表明，即使是在初期支护作用下，净空收敛的量值和速率在测试初期也是很大的;初期支护受力很大，特别是钢架内、外缘均处于受压状态，而且钢架大部分均超过钢材的屈服极限，钢架处于失稳状态;采用1 1 6 型钢钢架(间距 1 福 m-),3.5 m锚杆和2 0 c m喷射混凝土支护，其支护强度是不够的，应采取减小型钢钢架间距 改为3 棍 (2m)一 等措施予以加强;施工中喷射混凝土必须及时、饱满，才能保证描喷网钢架共同作用，否则会引起钢架变形很大，甚至导致塌方事故的发 生。关键词:特长公路隧道;大埋深;监控量测;钢架;变形中图分类号:U 4 5 1.2文献标志码:ACo n s t r u c t i o n D e p t hMo n i t o r i n g a n d Me a s u r i n g i n S e g me n t s o f L a r g e E mb e d d e di n Q i n l i n g Z h o n g n a n s h a n S u p e r-L o n g H i g h w a y T u n n e l C H E N J i a n-x u n ，Y A N G Z h o n g 2，Y U A N X u e-k a n 2(1.K e y L a b o r a t o r y f o r B r i d g e a n d T u n n e l o f S h a a n x i P r o v i n c e,C h a n g a n U n i v e r s i t y,X i a n 7 1 0 0 6 4，S h a a n x i,C h i n a;2.S h a a n x i Q i n l i n g Z h o n g n a n s h a n Hi g h w a y T u n n e l L t d,X i a n 7 1 0 0 5 4，S h a a n x i,C h i n a)A b s t r a c t:T o d i s c u s s t h e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k d i s t o r t i o n，s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e s t r e s s a n d s u p p o r t i n g s t r u c t u r e w h e n t u n n e l w a s u n d e r t h e c o n d i t i o n so f l a r g e e m b e d d e d d e p t h a n d w e a k s u r r o u n d i n g r o c k，a u t h o r s t o o k s o me t e s t i n g o r g a n s，s u c h a sS WJ-1 V t y p e c o n v e r g e n c e i n d i c a t o r,v i b r a t i o n a l c h o r d t y p e s o i l p r e s s u r e c e l l，e t c.I n M c l a s ss u r r o u n d i n g r o c k s e g me n t s w i t h e mb e d d e d d e p t h mo r e t h a n 1 2 0 0 m i n Q i n l i n g Z h o n g n a n s h a ns u p e r-l o n g h i g h w a y t u n n e l，t h o s e mo n i t o r i n g a n d m e a s u r i n g a s n e t c o n v e r g e n c e d i s t o r t i o n,s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e s t r e s s，s p r a y e d c o n c r e t e s t r e s s，s t e e l f r a m e s t r a i n a n d a x i a l f o r c e o fa n c h o r b a r w e r e m a d e.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t u n n e l i n c o n d i t i o n s o f l a r g e e m b e d d e d d e p t h a n dw e a k s u r r o u n d i n g r o c k c a n p r o d u c e l a r g e d i s t o r t i o n，e v e n i f o n t h e e f f e c t o f p r i m a r y s u p p o r t，t h em e a s u r e d v a l u e a n d s p e e d o f c o n v e r g e n c e a r e s t i l l l a r g e;t h e s t r e s s i n p r i m a r y s u p p o r t i s v e r yl a r g e e s p e c i a l l y i n p r o f i l e d b a r s t e e l f r a m e,t h e i n n e r a n d o u t s i d e e d g e o f s t e e l f r a me a r e i n s t r e s sc o n d i t i o n a n d mo s t s t e e l f r a me s t r e s s e s e x c e e d s t e e l负 e l d l i m i t,t h e s t e e l s t r e s s i n u n s t a b l e收稿日期:2 0 0 6-0 s-1 0墓金项目:陕西省交通科技项目(0 2-2 1 K)作者简介:陈建勋(1 9 6 9-)，男，陕西韩城人，副教授，工学博士研究生，E-ma i l:c h e n j x 1 9 6 9 1 6 3.c o mo建筑科学与工程学报2 0 0 6年c o n d i t i o n;t h e s u p p o r t l i k e 1 1 6 p r o f i l e d b a r s t e e l f r a m e(s p a c e b e t w e e n 1 s e t m-)，3.5 m l e n g t hr o c k b o l t s a n d 2 0 c m d e p t h s p r a y e d c o n c r e t e a r e n o t e n o u g h i n t h a t s e g m e n t s;t h e s u p p o r t i n gs t r e n g t h s h o u l d b e c o n s o l i d a t e d t h r o u g h s o me me a s u r e s，s u c h a s r e d u c i n g t h e s p a c e b e t w e e n s t e e lf r a m e r e d u c e t o 3 s e t (2 m)一 a n d s o o n;s p r a y e d c o n c r e t e s h o u l d b e m a d e i n t i m e a n d f u l l i nc o n s t r u c t i o n,t h e n i t c a n e n s u r e r o c k b o l t s,s p r a y e d c o n c r e t e，b a r ma t r e i n f o r c e me n t a n d s t e e lf r a m e i n c h o r u s，i f n o t，t h e d i s t o r t i o n o f s t e e l f r a m e w o u l d b e l a r g e a n d c o l l a p s e a c c i d e n t s ma yh a p p e n i n d e e d.K e y w o r d s:s u p e r-l o n g h i g h w a y t u n n e l;f r a me;d i s t o r t i o nl a r g e e mb e d d e d d e p t h;mo n i t o r i n g a n d me a s u r i n g;s t e e l0 引言 秦岭终南山特长公路隧道是西安至安康高速公路穿越秦岭山脉的一条越岭隧道，全长 1 8.0 2 k m,双洞四车道，中线间距3 0 m，属世界规模第一、长度第二的山岭公路隧道。隧道洞身横穿秦岭东西向构造带，该带经历了多期构造运动、变质运动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性复杂并有多条断层穿越。隧道开挖过程中可能会遇到围岩失稳、突然涌水、岩爆等地质灾害。该隧道东线 K 7 3+6 8 0 m-K 7 3+9 0 0 m段，埋深大于 1 2 0 0 m，属于深埋高应力地段，该段原设计为E类围岩。施工开挖后发现围岩破碎，岩体中含黑云母成分较多，有多组结构面，为黑云母片岩和绢云母绿泥石片岩，围岩稳定性差。在 K 7 3 十6 9 2 m处发生了高为 0.4-0.5 m拱部坍塌，经现场勘察后认定，该段围岩类别变更为a类围岩，采用 T 1 6 型钢钢架按U1类围岩初期支护施工。为了探讨在大埋深条件下的围岩变形、围岩压应力和支护结构力学特征，在施工过程中进行了监控量测。1 监控量测的内容和方法 依据中国 公路隧道施工技术规范(J T J 0 2 4-9 4)中的要求 1 7，并根据秦岭终南山特长公路隧道的结构特点及施工方法，结合设计单位提供的隧道监测建议，拟订了该隧道的监测项目和测试方法阁，其中包括:隧道内部观察、净空收敛变形、围岩压应力、锚杆轴力、喷射混凝土应力、钢架应变等，旨在采用中国较成熟的快速、准确、可靠的手段，对隧道施工关键部位进行跟踪监测圈。各项监测项目及采用的仪器设备和测试元件见表 1 4-6 。分别在K 7 3+6 9 2.5 m,K 7 3+7 4 6.5 m,K 7 3+7 7 0 m,K 7 3+8 0 1 m四个断面埋设了测试元件。下面对 K 7 3+7 4 6.5 m断面(埋深1 2 8 0 m)的监测结果予以介绍，并对其进行分析 7-s 7 表 1 监测项目及频率T a b.1 I t e ms a n d F r e q u e n c y o f Mo n i t o r i n g a n d Me a s u r i n g序号监测项 目监测仪器、元件测读频率1.1 5 d 的测读频率/(次 d-)1 6 d-1 个月的测读 频率/(次 d-)1-3 个月的测读频率/(次 周一 )3 个月以上的测读频率/(次 月一 I)1净空收敛变形S WJ-1 V 型收敛计1-211-21-32围岩压应力振弦式土压力盒1-y211-y21-33喷射混凝土应力振弦式应变计1-211-21-34钢架应变振弦式表面应变计1-y211-21-35锚杆轴力振弦式测力锚杆1-211-21-32 监测结果与分析2.1 净空收敛 在地段 K 7 3+7 4 0 m,K 7 3+7 4 3 m,K 7 3+7 5 0 m布设了3 条净空收敛基线，从图 1 可以看出:该地段K 7 3+7 4 3 m断面净空收敛变形急剧增长，位移速率也很大，有典型的深埋特点。埋设初期 1 1 d(2 0 0 2 年9 月 2 2日一2 0 0 2年 1 0月 3日)收敛变形达到4 2.5 1 m m，平均变形速率高达 3.8 6 m m d-;2 0 0 2年 1 0 月 3日一2 0 0 2 年 1 0 月 1 7日(共计 1 4d)变形达到2 6.8 9 m m，总变形量达到 6 9.4 m m，变形速率为1.9 2 m m d-1;同时，现场洞内观察发现喷层开裂，钢拱架扭曲变形，但2 0 0 2 年 1 0 月1 7日以后变形有所减缓。2 0 0 2 年1 0 月 1 7日2 0 0 3 年2 月2 8日，变形从6 9.4 m m增加到8 2.9 6 m m，增加量为 1 3.5 6 m m，平均变形速率降为0.1 0 m r n d-，出现了基本稳定趋势。2.2 围岩压应力 从图 2可以看出:K7 3+7 4 6.5 m断面围岩压第 3 期陈建勋，等:秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施弄监测及分析应力数量级比较大，而且变化剧烈(2 0 0 2 年 9 月一2 0 0 3 年 4 月)。-,卜K7 3 十 7 40 m+K7 3+7 4 3 m-.-K7 3+7 5 0 m0八n6肉j昌日瀚划 0协 一 一2 0 0 2-0 9-21图3 围岩压应力横断2 0 0 2-1 1-2 0 2 0 0 3-01 一 1 9 2 00 3-0 3-2 0的，右拱脚最大达0.6 9 7 MP a，左墙中次之，为0.5 3 7 M P a,拱顶达0.1 4 8 M P a,而其余各部位围岩压应力均在0.0 5 M P a以下。产生该现象原因是:该段处于大埋深(埋深1 2 8 0 m)地段，同时岩体破碎，开挖后产生了较面分布(单位:MP a)F i g.3 T r a n s e c t D i s t r i b u t i o n 图1 净空收敛时态曲线F i g.1 C o n d i t i o n a l C u r v e o f N e t C o n v e r g e n c eo f S u r r o u n d i n g R o c kP r e s s u r e(U n i t;MP a)0.8 0 00.5 0 00.2 0 0目d屠、只创国-0.1 0 02 0 0 2-0 9-1 9 2 0 0 2-1 1 一 1 8 2 0 0 3-0 1 一 1 7 2 0 0 3-0 3-1 8 2 0 0 3-0 5-1 7 日期目d荟/只侧 图2 围岩压应力时态曲线 F i g.2 C o n d i t i o n a l C u r v e o f S u r r o u n d i n g R o c k P r e s s u r e 拱顶处围岩压应力从 2 0 0 2 年 9 月 1 9日一2 0 0 2年9 月2 5日6 d内增长为0.0 8 7 MP a，平均速率达到0.0 1 3 MP a d-，达到最大值时围岩压应力曲线开始下降，2d内下降到 0，之后围岩压应力又有上升趋势，至2 0 0 3 年4 月1 5日围岩压应力值为0.1 4 8 MP a.两侧拱腰处围岩压应力从 2 0 0 2 年9 月 1 9日一2 0 0 2 年1 0 月1日1 2 d内急剧增长，右拱腰处达到0.1 4 2 MP a，平均速率为 0.0 1 2 MP a d-，左拱腰处达到0.1 0 8 MP a。随后两侧拱腰的围岩压应力呈现出了下降趋势，到 2 0 0 2年 1 1月 7日分别降至0.0 0 4 MP a(左拱腰)和0.0 2 MP a(右拱腰)。两侧拱脚处围岩压应力变化呈不同规律，右拱脚从2 0 0 2 年9 月 1 9日2 0 0 2 年 1 0 月2 1日围岩压应力达0.6 1 6 MP a，平均变化速率为 1 9 k P a d-,其后缓慢增长，至 2 0 0 3 年 2 月 2 8日该部位围岩压应力达到0.6 9 7 MP a，其后变化趋势趋于平缓，而左拱脚围岩压应力很小，基本为。两侧墙中处围岩压应力变化规律基本同拱部，左墙中处围岩压应力从 2 0 0 2 年 9 月 1 9日一2 0 0 2年1 0 月1日1 2 d 内达到0.5 3 7 MP a，平均增长速率为0.0 4 5 MP a d-，其后有所下降。右墙中处围岩压应力初期为。,2 0 0 2 年 1 1 月 2日围岩压应力有所增长，至2 0 0 3 年2 月2 8日围岩压应力为0.0 4 1 MP a.从图3(正值表示压应力，负值表示拉应力，后文同)可以看出:围岩压应力在横断面分布是不均匀大的围岩压应力，初期时由于钢拱架的支护作用，围岩压应力处于急剧增长阶段，钢拱架受力随之激增，当达到钢拱架屈服时，钢拱架受压扭曲成S形，围岩压应力释放，产生了此现象。2.3 喷射混凝土应力 从图4 可以看出:监测初期阶段左拱脚处喷射混凝土应力，从 2 0 0 2 年9 月1 9日 2 0 0 2 年9 月2 8日处于应力急剧增长阶段，9 d内压应力达到1 1.9 2 MP a，平均增长速率为 1.3 2 MP a d-，随之压应力缓慢下降。至 2 0 0 2 年 1 2 月 1 7日左墙中部喷射混凝土压应力突然急剧增大，1 2 d内达到2 7.9 6 MP a，平均增长速率达到2.3 3 MP a d-，且该部位随后变化起伏很大，到2 0 0 3 年4 月1 8日 为1 4.7 8 MP a。其余 5 个部位喷射混凝土压应力，数量级一般不大，且变化缓慢。2 0 0 2-0 9-1 9 2 0 0 2-1 1 一 1 9 2 0 0 3-01 一 1 8 2 0 0 3-0 3-1 9 2 0 0 3-0 5-1 8 日期 图4 喷射混凝土应力时态曲线F i g.4 C o n d i t i o n a l C u r v e o f S p r a y e d C o n c r e t e S t r e s s 从图 5可以看出:喷射混凝土全部为压应力，但分布的极不均匀，其最大值在 右 墙 中 部 为2 7.9 6 MP a(已超过C 2 5 喷射混凝土极限强度)，左拱脚次之，为 1 1.9 2 MP a,图5 喷射混凝土应力横断 面分布(单位:MP a)F i g.5 T r a n s e c t D i s t r i b u t i o n o f S p r a y e d C o n c r e t e S t r e s s(U n i t:MP a)建筑科学与工程学报2 0 0 6年右拱腰为8.1 1 MP a，其余各部位均较小。2.4 钢架应变 型钢钢架应变监测结果见表2 及图6 8 0 表 2 钢架各部位最大应变 Ta b.2 Ma x i mu m S t r a i n s i n Ea c h P o s i t i o n o f S t e e l F r a me 1 0 现场洞内观察发现喷层多处开裂，拱腰和拱脚处钢拱架发生扭曲变形呈 S形，0 2 2 连接钢筋均被压弯，此表明钢架受压失稳，由于变形的释放，钢架在新的条件下达到新的平衡。位置拱顶左拱腰右拱腰 左拱脚右拱脚左墙中右墙中外侧3 3 5 53 6 3 84 6 2 62 1 1 41 1 3 32 4 5 03 8 1内狈 叮坏4 1 7 52 9 3 2坏坏5 3 72 0 44 6 2 6 1X 1 0X1 0 e3 81 X 1 0 侧侧侧侧侧外内外内外腰腰腰腰顶拱拱拱拱拱左左右右一 5 0 0 0 4 0 0 0l三 3 0 0 0鲁，0 0 0 1 0 0 0 01 1一 一 一 一2 0 0 2-0 9-0 1 2 0 0 2-1 0-3 12 0 0 2-1 2-3 0 日期(a)拱部钢架2 0 0 3-0 2-28 2 0 0 3-0 4-2 93 0 0 02 5 0 020 0 01 5 0 01 0 0 0 5 0 0 0一5 0 0丫。1、俐侧2 0 0 2-0 9-01 2 0 0 2-1 0-31 2 0 0 2-日1 2-3 0期2 0 0 3-0 2-2 8 2 0 0 3-0 4-29(b)墙部钢架 -一曰目d芝/只侧 图6 型钢钢架应变时态曲线 F i g.6 S t r a i n C o n d i t i o n a l C u r v e o f S h a p e S t e e l F r a me 从表 2 可以看出:该断面钢架受力是很大的，全断面均受压。除右墙中内外侧和左墙中内侧处钢材仍在弹性阶段外，其余部位内外侧均超过钢材的屈服极限应变(约为 1 2 0 0 X 1 0-)。拱部钢架变形极大，最大值右拱腰外侧达到4 6 2 6 X 1 0.从图 6 可以看出:监测初期所有测点应变均急剧增大，拱部更加明显。拱顶钢架外侧部位测试3 d后应变达到 3 3 5 5 X 1 0-6(该钢材屈服极限应变为 12 0 0 X 1 0-)，超过了钢材受压失稳极限，测点被压坏，平均应变速率达到 1 1 1 8 X 1 0-6 d-1。右拱腰外侧监测 2 0 d后应变达到4 6 2 6 X 1 0-6，平均应变速率达到2 3 1 X 1 0-6 d-。拱顶外侧、右拱腰内外侧、左拱腰外侧和左拱脚外侧等 5 个测点均因变形过大元件被破坏。从 2 0 0 2 年9 月 1 9日一2 0 0 2 年 1 0 月2 1日 共 3 3 d 为钢架变形急剧增长期，监测 1 个月后各条曲线趋于平缓。随后钢架变形增长缓慢并趋于稳定。变形规律与围岩压应力相对应。从图 7,8 可以看出:钢架内、外侧翼缘应变规律基本相同。图7 钢架外缘应变图8 钢架内缘应变 横断面分布横断面分布 F i g.7 S t r a i n T r a n s e c t F i g.8 S t r a i n T r a n s e c t Di s t r i b u t i o n o n Ou t s i d e Di s t r i b u t i o n o n I n n e r E d g e o f S t e e l F r a m e E d g e o f S t e e l F r a m e 原因分析:自然因素。该段处于大埋深地段，有较高的地应力，岩体又破碎、软弱，给大变形的发生创造了条件。工程因素。该地段原设计为V1类围岩，开挖后变更设计按lu类围岩支护，采用 1 1 6 型钢钢架(间距 1 棍 M-1),3.5 m锚杆和2 0 c m喷射混凝土支护。为了加快施工进度，按设计施工做了型钢钢架，但系统锚杆未按设计数量施工，喷射混凝土仅喷了5-1 0 c m，钢拱架间均未喷满，留有1 0.1 5c m的空隙，连接钢筋外露，喷射混凝土不能同钢架组成钢筋混凝土结构，单靠钢拱架受力，导致了钢架应变(变形)很大。2.5 锚杆轴力 在左右拱腰处分别埋设了测力锚杆，右侧锚杆导线被损坏，现对左侧量测锚杆受力状态进行分析。从图9,1 0 可以看出:锚杆均受压，且受力不大，最大值距孔口0.5 m处为一1 3.4 6 MP a;锚杆受力沿杆体分布规律为孔口部受力大，到底部 0-1 m范围内不受力。一 1 6-一 一 一 一 1 一 一 一 一 一-2 0 02-0 9-01 2 0 0 2-1 1-0 32 0 0 3-0 1-0 5 2 0 0 3-0 3-0 7 2 0 0 3-0 5-0 9 日期，距孔 口0.5 m处，距孔 口1.0 M处 距孔口1.5 m 处斗 距孔口 2.0 m 处距孔 口2.5 m处 图9 锚杆轴力时态曲线F i g.9 C o n d i t i o n a l C u r v e o f A x i a l F o r c e o f A n c h o r B a r3 结语 (1)大埋深软弱围岩地质条件下，隧道会产生大第 3 期陈建勋，等:秦岭终南山特长公路隧道大理深段施工监测及分析7 5锚杆长度/m 0.5 1.0 1.5 2 刀2.5 3.00 v!/0 -1 14 6 3 盆55 7一 1 3.4 6 图 1 0一 1 2 _ 0锚杆轴力轴向分布 4 Di s t r i b u t i o n o f Ax i a l F o r c e o f An c h o r.l0巧-l0-15Fi.d芝、只创 B a r A l o n g A x i a l变形，即使是在初期支护的作用下，净空收敛的量值和速率在测试初期也是很大的。以本文中测试的断面为例，埋设初期1 1 d 收敛变形达到4 2.5 1 m m，平均变形速率高达 3.8 6 m m d-;随后 1 4 d 变形达到2 6.8 9 m m，总变形量达到 6 9.4 m m，变形速率为1.9 2 m m d-;其后(1 个月以后)历时 4 个月变形从6 9.4 m m 增加到 8 2.9 6 m m，增加量为1 3.5 6 m m,平均变形速率降至 0.1 0 m m d-，出现了基本稳定趋势。(2)在大埋深软弱围岩地质条件下，初期支护受力很大，特别是型钢钢架受力更加明显，钢架内外缘均处于受压状态，而且钢架大部分均超过钢材的屈服极限，钢架处于失稳状态。(3)监测结果表明:对于该段大埋深软弱围岩采用 1 1 6型钢钢架(间距 1 棍 m-),3.5 m锚杆和2 0 c m喷射混凝土支护，其支护强度是不够的，应采取减小型钢钢架间距 改为 3 棍 (2 m)一 等措施予以加强。(4)施工中喷射混凝土必须及时、饱满，才能保证锚喷网钢架共同作用，否则会引起钢架变形很大，甚至塌方事故的发生。参考文献:Re f e r e n c e s;1 J T J 0 2 4-9 4，公路隧道施工技术规范 S .J T J 0 2 4-9 4,C o d e f o r C o n s t r u c t i o n T e c h n i q u e o f H i g h-w a y T u n n e l S .2 1 T B J 1 0 8-9 2，铁路隧道喷锚构筑法技术规则 S .5 6 7 8 9 T B J 1 0 8-9 2，S h o t c r e t e-B o l t C o n s t r u c t i o n Me t h o d P r e-c e p t o f R a i l w a y T u n n e l S .关宝树.隧道工程施工要点集 M.北京:人民交通出版社，2 0 0 3.GUAN B a o-s h u.C o n s t r u c t i o n P o i n t s Ou t l i n e o f Tu n n e lE n g i n e e r i n g M.B e ij i n g:C h i n a C o m 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