基于監(jiān)控量測的隧道的穩(wěn)定性研究

金 昊，劉 立

(西華大學建筑與土木工程學院，四川成都610039)

隧道施工期間進行的監(jiān)控量測是指在隧道開挖過程中，使用各種量測儀表和工具對圍巖變化情況和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進行量測，其作用是及時提供圍巖的穩(wěn)定程度和結(jié)構(gòu)可靠性的安全信息，預(yù)見事故和險情，作為調(diào)整和修改支護設(shè)計的依據(jù)，并在復(fù)合式襯砌中，依據(jù)量測結(jié)果確定二次襯砌的施作時間，進而實現(xiàn)隧道工程的信息化設(shè)計。可以避免由于缺乏隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和結(jié)果分析而造成施工與支護等工作安排的盲目性，盡量降低工程造價，爭取時間，保證在計劃工期內(nèi)圓滿完成隧道施工任務(wù)。

1 工程概況

某隧道工程位于一條狹長河流右岸。隧址區(qū)處于某推覆構(gòu)造帶，巖體因受區(qū)域構(gòu)造作用，具有微變質(zhì)化，巖體強度有所降低，為軟質(zhì)巖，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈塊碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。隧道開挖時拱頂圍巖穩(wěn)定性差。隧道洞身由弱風化閃長巖及千枚巖構(gòu)成，巖石均屬于較軟巖類，巖體結(jié)構(gòu)多為塊狀砌體結(jié)構(gòu)，少量為碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部段受斷層影響為角礫、碎石狀松散結(jié)構(gòu)，洞身段含少量基巖裂隙水，呈滴水狀滲出，局部呈小股狀滲出。隧道總長為938m，穿越Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖，隧道洞口為道橋單元(PT2－3T)閃長巖弱風化帶進洞，洞頂及側(cè)壁圍巖由弱風化巖體構(gòu)成。

該隧道平縱設(shè)計方案主要由路線方案控制。進口位于S形曲線上，洞口樁號處 R=600m，洞內(nèi)圓曲線半徑 R=254.446m，出口位于直線上。隧道內(nèi)主洞內(nèi)空斷面擬定拱圈半徑為R=5.20m，三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪廓凈寬10.4m，凈高7.62m，隧道設(shè)計時速80 km/h。

2 監(jiān)測儀器布置概況

在進行儀器布置時，首先應(yīng)該弄清楚監(jiān)測的重點部位、監(jiān)測的項目、監(jiān)測斷面數(shù)以及監(jiān)測點的布設(shè)位置等情況。只有斷面上的各個監(jiān)測項目及其測點的數(shù)量和位置相互配合起來，才能全面反映監(jiān)測部位的整體性狀變化、滿足分析計算的需要。

根據(jù)監(jiān)測項目和開挖揭露的圍巖條件可在每間隔20～50m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，特殊地段可按照最小10m的距離減少或增加監(jiān)測斷面，以便確保監(jiān)測的精度和量測的可靠性，保證量測結(jié)果的準確性。具體布置:V級圍巖每20m一個斷面，Ⅳ級圍巖每25m一個斷面，Ⅲ級圍巖每30m一個斷面。在圍巖變化處，適當加密斷面布置，在圍巖較好處，適當加大斷面布置的距離。

隧道按圖1所示，在拱頂、行車路面上1.5m左右埋設(shè)測點，即采用三角形法進行拱頂下沉、水平收斂變形量測。水平收斂采用SWJ－Ⅳ隧道收斂計量測，量測精度為0.01mm，拱頂下沉采用精密水準儀進行量測或三角形量測法。

圖1 圍巖水平收斂與拱頂下沉量測

圍巖壓力量測，通常情況下是指圍巖與支護或噴層與二次襯砌混凝土間的接觸壓力的測試。接觸壓力量測儀器根據(jù)測試原理和測力計結(jié)構(gòu)不同分為液壓式測力計和電測式測力計。電測式優(yōu)點是測量精度高，可遠距離和長期觀測。根據(jù)合同要求，該次采用電測式測力計。采用儀器與元件:鋼弦式壓力盒WY－2型，振弦頻率檢測儀PZX－2型。在有代表性的地質(zhì)斷面上，與凈空收斂量測和拱頂下沉量測選在同一橫斷面上，每個橫斷面上安設(shè)10個壓力盒，分別在拱頂1對、拱腰2對、邊墻2對。布置詳見圖2。

3 水平收斂與拱頂下沉測試分析

隧道在各種地質(zhì)應(yīng)力或外力的作用下，它的外形和內(nèi)在的工程地質(zhì)特性都會隨著時間不斷發(fā)生變化。因此利用三角形法監(jiān)測隧道的位移變形隨時間變化的關(guān)系，同時分析隧道不同時間的穩(wěn)定狀態(tài)和發(fā)展趨勢，及時增加相應(yīng)的支護措施，對保證隧道的安全施工有重大作用。本文選取K19+630量測面觀測數(shù)據(jù)來分析隧道的變形和穩(wěn)定性。

圖2 圍巖及支護間壓力量測斷面示意

圖3 水平收斂時間曲線

圖4 拱頂下沉時間曲線

利用隧道的水平收斂與拱頂下沉我們繪制了沿隧道縱向變形值圖，其變形圖見圖5。

圖5 沿隧道縱向變形圖

(1)從圖3和圖4可以看出，隧道收斂在支護完成半月左右就基本處于穩(wěn)定，對測試點進行曲線回歸，該隧道收斂變化，與負指數(shù)函數(shù)比較吻合，從而可以有效預(yù)測隧道收斂的變化情況，更好地指導隧道施工。

(2)從圖5可以看出，隧道總體變形值較小，最大拱頂下沉為6.91mm，最大水平收斂為16.35mm，這與開挖圍巖巖性較好，且較完整，同時，施工中隧道支護時間較遲，洞周急劇變形時期已快完成，從而表現(xiàn)測量值較小，但從隧道收斂測試數(shù)據(jù)的基本穩(wěn)定看，隧道開挖及施工工藝是適合該隧道開挖的及支護的。

4 圍巖與層間壓力量測分析

通過對隧道現(xiàn)場圍巖與支護層間壓力埋設(shè)及數(shù)據(jù)測試工作，并及時對各個斷面進行數(shù)據(jù)分析，并繪制了時態(tài)曲線圖，以K19+560斷面為例，如圖6所示。

圖6 圍巖壓力時間曲線

可以看出，圍巖壓力曲線呈上升－平緩趨勢，即圍巖壓力對支護結(jié)構(gòu)壓力先逐漸增大后逐漸趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)受力也逐漸趨于穩(wěn)定，從而隧道結(jié)構(gòu)受力是安全的，表明隧道支護參數(shù)設(shè)計較為安全，施工工藝可行。

5 隧道穩(wěn)定性總結(jié)分析

通過分析該隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，總的來說:位移成果曲線比較平緩，其擬合曲線近似于一條水平直線，說明位移有趨于某一固定值的趨勢;在充分考慮支護應(yīng)力損失的情況下，通過圍巖壓力的分析可以得出，觀測成果曲線隨時間呈不同程度的變化，圍巖壓力變化趨于一個穩(wěn)定值附近，說明圍巖支護對受力穩(wěn)定。可以判定目前隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)影響隧道穩(wěn)定性的因素是多樣性的，因此在進行儀器布置時，一個監(jiān)測斷面上的各個監(jiān)測項目及其測點的數(shù)量和位置應(yīng)相互配合起來，應(yīng)能全面反映監(jiān)測部位的整體性狀變化，滿足分析計算的需要。

(2)施工過程中，以掌子面及支護的描述為判斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性依據(jù)，根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿的工作狀態(tài)，分析支護結(jié)構(gòu)的可靠程度。從而有效地指導了隧道施工。

(3)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，拱頂下沉和水平收斂在支護開始一周內(nèi)，日收斂率在0.2～0.8mm，后迅速變小，在半月的收斂后基本趨于穩(wěn)定;圍巖的變形變化符合負指數(shù)函數(shù)，可對其最終變形進行預(yù)測。

(4)根據(jù)測試的結(jié)果，收斂基本穩(wěn)定后，可施做二次襯砌，有效合理地指導現(xiàn)場施工。

［1］ 張強勇．巖土工程強度與穩(wěn)定計算及工程應(yīng)用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005

［2］ 張永興，賀永年．巖石力學［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004

［3］ 黃湖星．隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］．西部探礦工程，2009(8):129－131

［4］ 謝鋒，蔣樹屏，李建軍．蠕變圍巖隧道二次襯砌支護時間的研究［J］．地下空間與工程學報，2006，2(5):805－808