基于圍巖變形速率比值法的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警研究

郭永建，曹周陽(yáng)，姜 飛

(1.青島國(guó)信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266500;2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450015)

基于圍巖變形速率比值法的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警研究

郭永建1，曹周陽(yáng)2，姜 飛1

(1.青島國(guó)信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266500;2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450015)

基于圍巖變形速率比值法對(duì)隧道的施工開(kāi)挖及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)預(yù)警進(jìn)行了研究，歸納出5種現(xiàn)場(chǎng)存在的圍巖變形規(guī)律，得出了合理的監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)價(jià)方法。當(dāng)圍巖變形速率與本斷面圍巖變形速率最大值的比值v/v0=50%左右時(shí)，可以認(rèn)為變形速率略有降低;當(dāng)v/v0=33%左右時(shí)，可以認(rèn)為變形速率減小，有可能趨于穩(wěn)定;當(dāng)v/v0=20%左右時(shí)，可以認(rèn)為圍巖接近趨于穩(wěn)定;當(dāng)v/v0=5% ～10%左右時(shí)，可以認(rèn)為圍巖穩(wěn)定。將這一方法在青島膠州灣海底隧道左線ZK4+950中應(yīng)用，得出了較為理想的結(jié)果。

變形速率比值法 隧道工程 監(jiān)測(cè) 拱頂下沉

軟弱圍巖隧道工程，在開(kāi)挖和支護(hù)初期圍巖變形劇烈，存在失穩(wěn)的可能性，需進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)控量測(cè)以判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，這就需要對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀。常用的方法是通過(guò)分析變形速率—時(shí)間曲線以確定圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)［1-3］，即變形速率趨于0時(shí)，認(rèn)為圍巖穩(wěn)定。但是該方法具有一定的局限性，軟巖隧道自身的流變特性［4-5］使得變形速率趨于0的時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生支護(hù)過(guò)強(qiáng)和監(jiān)測(cè)花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)久等問(wèn)題。基于此類(lèi)問(wèn)題，文獻(xiàn)［6-8］提出了圍巖變形速率比值判別法做為隧道監(jiān)控量測(cè)圍巖穩(wěn)定判定的方法，并在貓山隧道等工程中成功應(yīng)用;文獻(xiàn)［9］將變形速率比值法應(yīng)用到溫福鐵路周倉(cāng)嶺隧道中，得出收斂速率降至初測(cè)值的14.7%時(shí)仍存在開(kāi)裂的問(wèn)題，處理后速率比值降到2.8%，圍巖才趨于基本穩(wěn)定;文獻(xiàn)［10］將該方法應(yīng)用到地下廠房的監(jiān)控量測(cè)中，認(rèn)為速率比值降到5%以下時(shí)，圍巖穩(wěn)定。綜上所述，變形速率比值法已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但尚缺乏更詳細(xì)的變形數(shù)據(jù)分析評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

本文以青島膠州灣海底隧道工程為研究背景，對(duì)圍巖穩(wěn)定性分析，以及隧道施工存在的變形發(fā)展情況和監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行研究，并以左線ZK4+950斷面處的拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，完善該方法的判定標(biāo)準(zhǔn)，并驗(yàn)證其可行性。

1 判定標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)多條隧道的監(jiān)控量測(cè)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究成果，本文提出變形速率比值法的判定原則為:在隧道施工中初期支護(hù)全部施加完成后進(jìn)行拱頂沉降、洞周收斂、地面沉降的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，依據(jù)圍巖變形速率v與本斷面實(shí)測(cè)圍巖變形速率最大值(一般為初測(cè)變形速率)v0的比值 v/v0，當(dāng) v/v0=50%左右時(shí)，可以認(rèn)為變形速率雖略有降低，此時(shí)應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率并持續(xù)監(jiān)測(cè);當(dāng) v/v0=33%左右時(shí)，可以認(rèn)為變形速率減小，有可能趨于穩(wěn)定，可恢復(fù)正常監(jiān)測(cè)頻率;當(dāng)v/v0= 20%左右時(shí)，可以認(rèn)為變形速率顯著減小，接近趨于穩(wěn)定，此時(shí)可以適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)頻率;當(dāng) v/v0=5%～10%左右時(shí)，可以認(rèn)為圍巖穩(wěn)定，可以當(dāng)做圍巖穩(wěn)定的閾值，隔較長(zhǎng)時(shí)間定期監(jiān)測(cè)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形速率的變化情況，可將海底隧道的圍巖變形曲線(u－t曲線)相互對(duì)比，歸納為五種規(guī)律性曲線:①支護(hù)保守，如圖1曲線所示;②支護(hù)適當(dāng)，如圖2曲線所示，斷面4圍巖變形值稍超過(guò)控制變形量，宜在下一施工循環(huán)開(kāi)挖時(shí)適當(dāng)保留預(yù)留變形量，也可以加強(qiáng)支護(hù);③支護(hù)不足，如圖3曲線所示(v/v0＞50%);④?chē)鷰r流變，如圖4曲線所示(v/v0＞50%);⑤圍巖失穩(wěn)，如圖5曲線所示(v/v0＞100%)，圍巖即將失穩(wěn)。

圖1 支護(hù)保守型u－t曲線

圖2 支護(hù)適當(dāng)型u－t曲線

圖3 支護(hù)不足型u－t曲線

圖4 支護(hù)不足圍巖流變型u－t曲線

圖5 圍巖將失穩(wěn)，需要立即處理時(shí)u－t曲線

2 工程實(shí)例應(yīng)用

將上述隧道圍巖施工變形情況與速率比值法判斷標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，應(yīng)用在青島膠州灣海底隧道左線Ⅴ級(jí)圍巖斷面ZK4+950處拱頂下沉實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中。青島膠州灣海底隧道位于青島市膠州灣海床下方，隧道長(zhǎng)7 800 m，內(nèi)凈高8.2 m，寬14.4 m。

圖6—圖8分別為ZK4+950斷面處的拱頂累計(jì)沉降量、沉降速率和沉降速率比值隨時(shí)間的變化曲線。由圖6所示的累計(jì)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果得出最終的隧道累計(jì)沉降量值為23.5 mm，且趨于穩(wěn)定。圖7所示下沉速率在監(jiān)測(cè)103 d后趨于穩(wěn)定。選取的初始速率 v0為1.37 mm/d。圖8所示的沉降速率比值圖顯示，沉降速率比值在第74 d時(shí)存在突變，達(dá)到了50%，但未出現(xiàn)支護(hù)開(kāi)裂等問(wèn)題，此時(shí)增加了監(jiān)測(cè)頻率，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形速率比值在10 d后降低到25%，此時(shí)恢復(fù)了正常監(jiān)測(cè)頻率，最終在103 d后 v/v0值降低到5%～10%以下，圍巖趨于穩(wěn)定。對(duì)比圖7和圖8，沉降速率比值變化幅度要大于沉降速率，更易監(jiān)控到可能存在的問(wèn)題，采用變形速率比值法要優(yōu)于變形速率監(jiān)測(cè)預(yù)警法;經(jīng)過(guò)157 d的監(jiān)控量測(cè)，拱頂沉降的最終沉降速率比值趨于穩(wěn)定(v/v0＜5%)，綜合判定認(rèn)為圍巖變形已基本穩(wěn)定。

圖6 ZK4+950斷面拱頂累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線

圖7 ZK4+950斷面拱頂下沉速率隨時(shí)間變化曲線

圖8 ZK4+950斷面拱頂下沉速率比隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

1)總結(jié)施工現(xiàn)場(chǎng)隧道圍巖變形的變化情況，歸納出了五種海底隧道圍巖變形曲線失穩(wěn)預(yù)警的規(guī)律，提出了其圍巖變形速率比的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2)由青島膠州灣海底隧道ZK4+950斷面處的拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，采用變形速率比值法要優(yōu)變形速率監(jiān)測(cè)預(yù)警法。綜合考慮變形累積值、圍巖變形速率和最大變形速率比值;拱頂沉降速率比值降低到5%～10%，說(shuō)明變形速率已顯著減小，并已接近趨于穩(wěn)定，同時(shí)沉降速率也已基本穩(wěn)定，判定該斷面處的拱頂沉降已基本穩(wěn)定。

［1］張世飆，夏述光，左昌群，等.軟巖隧道圍巖變形量與變形速率臨界值及警戒值探討［J］.湖北公路交通科技，2006 (14):43-46.

［2］江貝，李術(shù)才，王琦，等.基于非連續(xù)變形分析方法的深部沿空掘巷圍巖變形破壞及控制機(jī)制對(duì)比研究［J］.巖土力學(xué)，2014，35(8):2353-2360.

［3］李志清，丁春林，竇世學(xué)，等.大斷面淺埋黃土隧道圍巖變形特性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10(增1): 1623-1628.

［4］孫鈞.巖石流變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進(jìn)展［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(6):1081-1106.

［5］張長(zhǎng)安.圓形隧道圍巖應(yīng)力和位移的統(tǒng)一塑性解［J］.鐵道建筑，2014(6):85-87.

［6］李世輝.圍巖—支護(hù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)——變形速率比值判別法［J］.水電站設(shè)計(jì)，1992，8(3):20-25.

［7］李世煇，宋軍.變形速率比值判據(jù)與貓山隧道工程驗(yàn)證［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2002，4(6):85-91.

［8］宋軍.變形速率比值判別法的概念及在貓山隧道施工中的應(yīng)用［J］.公路，2007(7):223-228.

［9］劉克明.用變形速率比值法判別軟弱隧道穩(wěn)定性［J］.西部探礦工程，2006(5):126-127.

［10］尹冬梅，梁小勇，李世峰.用速率比值法探討某地下廠房的圍巖穩(wěn)定性［J］.隧道建設(shè)，2010，30(增1):183-186.

(責(zé)任審編 孟慶伶)

U456.3+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.15

2015-03-06;

:2015-08-28

郭永建(1985— )，男，工程師，博士。

1003-1995(2015)11-0049-03