连拱隧道边坡变形的三维监测分析.pdf

第卷第期年月岩石 力学与工程学报亡矶,连拱隧道边坡变形的三维监测分析王建秀,唐益群伙朱合华,周念清,陆永春,王红霞同济大学地建筑 与程系,卜 海中国第 卜二三冶金建 设公司海地矿建设有限责任公司,上海海公 司,上海摘要连拱隧道诱发的滑坡,不但威胁着现场施人员的安全,还可能使隧道结构出现大量裂缝或者破坏,甚至导致工程整体报废,造成不可挽回的经济、社会拟失。以云南兀 江磨黑高速公路小曼萨河隧道为例,对隧道边坡变形进行三维监测及洞内变形监测,确定该隧道边坡只维变形的基本模式。边坡变形的三维监测表明边坡位移三维特征明显,潜在滑面位于隧道以下边坡向山外了正方向方向的位移量最大,主滑方向和隧道洞身斜交,以向山外运动为主,边坡测点总体的运动趋势为向隧道内部和山里转动。在隧道边坡治理中,考虑隧道边坡主滑方 向的三维变形特征,取得良好的效果。对隧道边坡变形进行三维监测及洞内变形监测,并将其用于隧道边坡的稳定性分析以及后期治理具有重要的理论意义和实用价值。关键词隧道工程连拱隧道滑坡隧道边坡变形三维监测隧道边坡变形洞内监测隧道边坡治理措施中图分类号文献标识码文章编号一一一一,认砚,孔,肠岁妙,几四姗优,叮,烤,人曰,一血,塔而一寸,。,】,一,行一,一收稿日期一一修回日期一一基金项目国家 自然科学基金委员会、二滩水 电开发有限责任公司雅碧汪水电开发联合研究纂金资助项目作者简介王建秀一,男,博行,年毕业 于 成都理学院水文地质工程地质幼业,现任副教授,主要 从事地下结构、岩 土程以及地质工 程 方面的教学与研究工作。一二第卷第期王建秀等连拱隧道边坡变形的三维监测分析一一引言连拱隧道一般用于中、短隧道和线路接线处,在进、出山时经常遭遇如下隧道边坡问题由于连拱隧道 特别是大跨连拱隧道跨度大、靠坡近,进山时仰坡和侧向边坡受地形影响极大由于连拱隧道开挖断面大、工法复杂,多次开挖支护产生的应力转换对边坡的稳 定影 响显著钻爆法施工振动对边坡产生扰动,削弱岩体的抗剪性能当隧道处于边坡潜在滑面 附近时,隧道进山时卸除了部分抗滑岩土体,降低了边坡的稳定性。在极端不利情况下,甚至可能诱发隧道滑坡,不但威胁现场施工人员的安全,还可能使隧道结构出现大量裂缝或局部破坏,削弱隧道结构 的完整性和耐久性,甚至导致工程整体报废,造成不可挽回的经济、社会损 失。所以,在连拱隧道施工中,监测工作极为重要一,。本文 以云南元 江磨 黑高速公路 小曼萨河 隧道为例,通过边坡变形 的三维监测及 洞内变形监测,建立 了该隧道滑坡变形 的三维基本模式,为隧道滑坡机制分析及后期治理提供了依据。小曼萨河隧道的边坡病害元江磨黑高速公路第合 同段一原设计为深挖路堑在削坡施工 时,山体斜坡出现坍塌和松动现象,严重威胁施工 的安全,后调整为隧道方案,设置小曼萨河双连拱隧道。小曼萨河隧道位于十一之 间,全长,纵坡度为,为带中墙的整体式双跨连拱结构,单跨净宽为,净高为,中墙厚,隧道净宽为,最大埋深为。该隧道位于南溪河左岸支流岸坡的中下部,一体斜坡坡度约为。,顶部坡度稍缓,山岭高程为一,相对高差约,整体为向延伸,坡面东倾。工程地质测绘及钻孔揭示,隧道表层广泛分布第四系崩坡积松散层,有松动 的现象,下伏基岩为元古界小羊街组上亚组的花岗片麻岩,隧道出口发育一“”型冲沟。隧道附近未发现大型断裂带,构造迹象以层间褶 曲最为发育。岩层为一单斜构造,产状为一。艺。一。,节理较发育。隧道所处边坡高度在以上,元江口为小曼萨河右岸边坡,坡度为。一“,局部在“以上。磨黑口紧邻一条向冲沟,坡度为。一。小曼萨河隧道在修建过程中,由于磨黑口边坡变形导致隧道内部出现了拱圈错动,衬砌内部出现了大量裂缝 见 图。隧道于年月份正式开始 中导坑 的施工,到年月份,中导坑和中隔墙施工完毕,并开始进行明洞施工。年月日下行线出口端开始开挖。在正洞开挖之初,即发现中导坑两侧 向中隔墙移动,最大裂缝达。年月底至月日,一段中隔墙 向路线前进方 向的左侧偏移,至年月日累计达。年月一日,出口端墙及左边挡墙开裂。月日至月初,上行线拱部一段 向路线左侧偏位较快,发展达。月日,一段初期支护发生顶部坍塌并坍至地表,一十段初期支护发生移位、开裂。月一日,一段中导坑顶部下沉最大值超过,并且 中导坑边墙部分工字钢支架被剪断,中导坑顶部已压在中隔墙上,至年月日一段中隔墙也被顶部围岩压裂处。年月日,上行线一十段仰拱出现纵 向裂缝,长度约有,裂缝最大宽度达。年月日,一段二次衬砌起拱线部位的水平裂缝有多,中隔墙有沉降现象。年月上旬,在进口端上行线起拱线附近出现了。的裂缝,进口端墙出现了竖 向裂缝,截止到年月日,处裂缝均有较大发展。年月日一月日,隧道出口段发生较大连续变形,特别是月巧一日,变形加剧,中墙局部有折断现象,抗滑桩护壁一间产生裂缝。边坡变形的三维监测与分析为监测隧道边坡变形,现场进行了三维变形监测,共布置个测点见 图。主要方法为设定不动参考点,采用全站仪同时读取边坡变形 的三维数据。坐标系设置为方向以上行线行车方向为正方向以垂向上行线行车方向以左为正方 向以向上为正。岩石力学与工程学报年下行线出口一一泛点组组一我我一一鼓出出,钢筋暴露一显拼、论论 冈筋暴露露露露露露露露露露露露露一卜口下门门杯杯杯镌镌镌镌镌镌镌一一一牛急扮少一灿一一”一瘫卜斗斗夕夕内移内内移一了。剥落,钢筋弯曲曲曲产产产协产产篇。剥落,想瞥嗯。刁习沪福书州一,十一卜一卜二图小曼萨河隧道下行线一左侧二次衬砌裂缝图 单位“洞口边坡测点布置图边坡变形测点坐标系道外部和山外变形有所不同。只有滑面位于隧道以下,隧道边坡测点位于滑体中,滑面为圆弧状且己经沿,方向发生不规则的旋转滑动 见 图才能产生 以上变形,故按垂直于隧道轴线的二维剖面分析滑坡的规律会与实际相去甚远,且使设计 的工程措施无法有效控制边坡的变形。图小曼萨河隧道磨黑端边坡测点布置示意 图巨洞内变形监测与分析各测 点分别设置于 隧道进山的仰坡一,一,一一、挡土墙顶部,拜上行线洞 门的拱顶上。通过全部位移测点在,方向的总体位移和趋势确定隧道边坡的位移方 向。由图可见,隧道边坡测点在方 向的位移为向隧道进山方 向运动,其中位于隧道挡土墙顶部边坡上的测点变化较小,位于上行线洞门顶部 的测 点次之,其余几点方 向的位移虽然绝对数值有所差异,但总体变化趋势相 同。测点在方 向的位移为向山里运动,位于隧道挡土墙顶部边坡上的测点变化较小,位于上行线洞 门顶部 的测点次之,其 中位于边坡顶部台阶以上的测点和位移最大。在方向的位移地表下沉以下沉为主,测 点,和下沉趋势明显,其余各点升降位移不 明显。在总位移方面,变化最大的是测点和,最小的是测点。其中方 向的位移量最大,最大值为和方 向位移的倍 以上,所以边坡的主滑方向以方向为主。由以上三维监测数据分析可见,隧道边坡各测点位移 的总体趋势为向隧道 内部和山里运动,和一般假设的偏压 隧道边坡二维运动趋势一般为 向隧三维监测给出了隧道边坡表面的位移趋势。由于边坡岩体结构复杂,监测中影响因素较多,还需要通过隧道内部变形的监测,确定边坡 内部位移 的趋势。拱顶下沉测量 的是隧道初次衬砌或二次衬砌垂直方向的变形,不能反映隧道边坡三维变化的趋势,但拱顶下沉多个测点组剖面 共同分析,也能反映隧道边坡导致洞内变形的二维效果。小曼萨河隧道代表性的拱顶下沉测 点有组。其 中组布置在隧道的初次衬砌上 上行线心断面,参见图组布置在二次衬砌上 布置在上、下行线的断面,参见 图。由图的监测数据及变形示意图可见,隧道边坡变形与滑动产生 了明显 的偏压现象。隧道下行线靠山侧 拱顶以下沉为主,且处最大,处最小,而上行线侧则为顶升,且处最小,处最大。由边坡三维滑动产生的隧道偏压荷载推断,隧道变形方 向以向外为主,即为边坡滑动沿轴旋转所产生的偏压力方向。拱顶下沉反映了拱顶部位的变形,而洞身的变形可 由二维收敛监测数据给出。设置在二次衬砌上的两个二维收敛测点表明,由拱顶下沉推定的隧道变形模式与实际相符。隧道洞身变形模式见图,下行线断面二维收敛变形规律是乃线伸长,第卷第期王建秀等连拱隧道边坡变形的三维监测分析日期年月日日期年月日的闪寸闪闪寸囚叫价闪阶囚寸闪闪闪的囚曰囚曰凶乃一刀一一刀一刀一刀一刀一刀一刀哟叫寸凶闪洲寸叫闪叫阶叫叫阶叫叫哟叫洲叫闪一一叫凶点点点点点点点点观湘湘坝湘 坝坝坝日日、响夔瞬点点点点点点点点测测测测测测测测一刀一刀一刀一刀一刀一臼月婀座瞬方 向方向点点点点点点点点,山蜜砂砂压测一一澳、一测坝坝洲们一坝一,洲尝绍男苏熟痴寡澎羁气夕吸洲气减夕竹吧芡关舒洲”升出口己之婀谗攀。奢断辫辉墅告二薯 墓 墓,廿 户 叮肆户点点点点点点点点测测测测测测测测日月啊世瞬的叫寸叫凶叫甚闪叫凶阶叫凶日一工召国月年寸闪闪叫闪期日喻闪寸叫闪叶囚闪闪阶凶凶曰工价闪闪寸闪叫叫叫闪叫们叫一叫闪魅曰。闪闪位日期年月日方 向总位移图小曼萨河隧道磨黑端边坡位移时程曲线一,嶂鱼适业丝型直丛置边坡测点原来位置滑动后边坡测点位置互梦在滑面横断面图纵断面 图图小曼萨河隧道磨黑口边坡位移示意图耳,目臼、婀瞬卜碎睬哟囚闪囚闪闪闪卜闪闷的凶一一凶媲。凶中中一、隔隔叭户百朋墙墙下行线初次衬砌测点布设日期年月日拱顶下沉位移一时间曲线图小曼萨河隧道匕行线十断面初次衬砌测点布设及拱顶下沉位移一时间曲线万一几岩石力学与工程学报年变形前的隧道二次衬砌变形后的隧道二次衬砌一黔一测点测 点测 点粉绷翎二鑫霉过色、二艺竺澄衅黔卿宁峥黔喊彻一命、酬毖费窟绳邓私一、一测点一测 点测点目日之喇瞬卜碎畴日三、咽瞬卜彩呀卜寸闪阁关阶闪凶凶凶 叫卜凶闪的凶工凶阅一叫洲一闪研讲听川叮汉叫门二门 介拜气一一一一一纽一一。酬型。确卿曰凶叫丙刘耐矶。叫下行线监测数据日期年月日上行线监测数据图小曼萨河隧道上行线断面二次衬砌变形及监测数据石亡一阮嘟一一之念念镖支一枷一一海一理黔、,一、喇黔与拟篇器幽盛少喃 么伟始侣招嘴 专转锡一崛庙镊屯治诀聋已日、协琪渭州辱呱寸一丈工一卜寸一入叫阶闪、闪帕一闪内曰内叫,叭闰洲闪姆闪叫闪嗽工凶。囚变形前的隧道二次衬砌变形后的隧道二次衬砌日期 年月日收敛位移一时间曲线图小曼萨河隧道下行线十断而二次衬砌变形及收敛位移一时间曲线曲一【和线缩短。由于隧道下行线靠山侧受压,而线又有所伸长,说明隧道中墙也部分发生 了移动,这一变形得到了上行线处中墙位移监测数据的证实见 图。而上行线十二维收敛变形规律是和线伸长,线变化不大见图,推定其变形为图所示模式,也与拱顶下沉监测数据推断的变形规律一致,即隧道边坡沿固定滑面绕和轴旋转,产生的偏压导致隧道洞身产生相应的变形。边坡三维变形分析与治理措施由边坡变形的三维监测和 隧道洞内变形规律分析可知,小曼萨河隧道的三维变形可以概括为图所示模式。隧道 的运动在,和方向均有分量,边坡的主滑方向和隧道洞身斜交。若没有三维监测分析,而采用人为推断的主滑方向和滑动模式来判定边坡的稳定性,可能在消耗大量支挡结构和抗滑工程的情况下,仍无法消除边坡的变形和滑动趋势。所以,在采取稳定隧道边坡措施时,必须考虑隧道主滑方向和三维变形特征。针对该隧道的三维变形特征,采用抗滑桩对边坡进行稳定处理。在下行线隧道出口处右侧,设排抗滑桩,用于抵抗主滑方向方 向上的边坡推力,抗滑桩断面尺寸为,其 中桩长,其他桩长。在桩顶处设根预应力锚索,锚索间距,锚索倾角,长度,锚固段长度,桩中心距,共设抗滑桩根上行第卷第期王建秀等连拱隧道边坡变形的三维监测分析一止阶卜闪叫土门几丁山自闪卜闪闪乙一日日、婀榔攀元江口习。鹭。口。闪的闪凶的凶闪曰阶卜凶凶才荤士翌峨骂 理鹭 箕一位移测点布置示意图时问年月日位移一时间曲线图小曼萨河隧道上行线断面中墙位移测点布置及位移一时间曲线一一侧砰一瑞一产洲一一,一、买摹蕊一 一卜划呱续二一一曰,一气山寸闪闪的寸创囚一工阶阶闪吕囚阶闪出闪凶一帕工阶叫闪卜阶叫叫卜闪闪叫闪。工凶。叫闪日日一然声踌半叹、兜套袭带气覆才、华、扮叠遥墓岁攀当岁藻变形前的隧道二次衬砌变形后的隧道二次衬砌时间年月日累积收敛位移一时间曲线图小曼萨河隧道上行线断面二次衬砌变形及位移一时间 曲线月一口图小曼萨河隧道三维变形模式线隧道出口右侧处,设一排抗滑桩,抗滑桩断面尺寸为又,其中,桩长为一,其他桩长,桩中心距,共设抗滑桩根。要求 抗滑桩埋 入 稳 定 层 深度不小于。根据地形条件,设置排钢管桩。第排钢管桩范围十一,与隧道间距第排钢管桩与第排间距,从开始 向前布置,桩间距义,呈梅花 形布置,共计根见 图一川。年月开始进行边坡支挡结构施工。自处理以来,衬砌裂缝基本上没有再发展,初次衬砌和二次衬砌所受荷载也明显减小,达到了预期效果。图出口边坡综合治理平面 图川结论由于连拱 隧道一般用于中、短隧道和线路岩石力学与巨程学报年接线部位,不可避免地会在隧道的进、出山口遭遇仰坡、侧向边坡以及滑坡 问题。连拱 隧道诱发 的滑坡,不但威胁着现场施工人员 的安全,还可能使隧道结构出现大量裂缝或者破坏,甚至导致局部工程整体报废,造成不可挽回的经济、社会损失。通过边坡变形的三维监测及洞 内变形监测,可为隧道边坡 的稳定分析以及后期治理提供依据。小曼萨河隧道边坡的三维监测表明,边坡位移呈三维特征,且方 向的位移量最大,边坡的主滑方 向以方 向为主。小曼萨河 隧道洞 内监测结果表明,拱顶下沉和 二维收敛所反映隧道 的变形规律和边坡监测成果基本一致,即隧道边坡沿固定滑面绕和轴旋转滑动,产生的偏压导致隧道洞身产生相应的变形。小曼萨河隧道边坡变形呈三维特征,边坡的主滑方向和 隧道洞身斜交,采用传统 的二维条分法或者有限元法来分析边坡稳定性可能和实际情况不符。在采取稳定隧道边坡措施 时,必须考虑隧道的三维变形特征。致谢参加现场监测工作的还有苏生瑞、于宁、徐凌、潘洪科、藏传伟、闰晓波、喻军、李荣峰等,特此致谢李德宏,连拱隧道施工监测与分析现代隧道技术,均一,一一一义一,司参考文献王建秀连拱隧道建设中的几个关键问题研究选型、偏压、裂缝、抗震和监测限上海同济大学,一一一,化皿山周所,王建秀,朱合华,唐益群,等双连拱公路隧道裂缝成因及防治措施岩石力学与工程学报,一一,一目,一胆主凸中华人民共和国行业标准编写组公路隧道施工技术规范北京人 民交通出版社,衡。免一,一,【中玉二,赵玉光偏服连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研究公路,一长。从,物一仃一,一工袁勇,王胜辉、杜国平,等双连拱隧道支护体系现场监测试验们究岩石力学与工程学报,一,认乞,一一,一工少军,夏才初,朱合华,等不对称连拱隧道现场监测与分析研究岩石力学与工程学报,一,一一、朋一,少一刘新荣,孙辉,陈晓江,等黄土连拱隧道二次衬砌的结构分析与监 测研究岩土丁程 学 报,一,叨,一、【一,刘招伟,何满潮,肖红渠浅埋大跨连拱隧道施工 中变形的监测与招万制普施岩土工程学报,一,凡一一汇飞,一工【刘庭金,朱合华偏压连拱隧道病害分析及治理措施中国公路学报,一一义肠引,。汀污,一苏生瑞复杂地质条件下高速公路隧道施工 问题研究上海司济大学,工哪一扣。山小,。目到,工