基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時(shí)空特性分析

■費(fèi)智明

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西 太原030000）

基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時(shí)空特性分析

■費(fèi)智明

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西 太原030000）

隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放與調(diào)整，圍巖變形具有明顯的時(shí)空特性。通過分析圍巖變形機(jī)理，結(jié)合萬榮隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對(duì)隧道開挖后進(jìn)口淺埋偏壓段圍巖變形的時(shí)空特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:隧道進(jìn)口淺埋偏壓段上覆圍巖變形與開挖掌子面位置及移動(dòng)過程具有明顯的時(shí)空特性，隧道開挖后地表橫向沉降呈U字型分布，且隨埋深的增加累計(jì)沉降量逐漸減小。隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，拱頂沉降和周邊收斂時(shí)間特征曲線相似，并進(jìn)行了回歸分析。隧道圍巖變形規(guī)律的分析研究對(duì)于防治工程災(zāi)害、確定支護(hù)最佳時(shí)機(jī)、調(diào)整施工工序有重要意義。

隧道工程監(jiān)控量測圍巖變形時(shí)空效應(yīng)

1 導(dǎo)言

隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步向崇山峻嶺、水域延伸，我國還將建設(shè)更多長度長、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大的隧道工程。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及多樣的施工工法決定了隧道圍巖力學(xué)特性的復(fù)雜性。目前，以監(jiān)控量測、錨桿支護(hù)、噴射混凝土為關(guān)鍵性三要素的“新奧法”隧道施工設(shè)計(jì)理念已逐漸成熟，被廣泛運(yùn)用到隧道工程當(dāng)中。其核心理論為充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，在隧道圍巖變形的可控范圍內(nèi)，掌握變形趨勢及支護(hù)體系的承載情況，保證變形與支護(hù)的動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)定。近年來，基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)的研究雖然已經(jīng)展開，然而鑒于隧道工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，這些研究成果仍滯后于隧道工程實(shí)踐，沒有很好地得到應(yīng)用。隨著隧道掌子面不斷向前開挖推進(jìn)，圍巖約束條件也發(fā)生時(shí)間和空間的相應(yīng)變化，只有將二者有機(jī)地結(jié)合起來研究才能掌握圍巖變形的規(guī)律。本文根據(jù)萬榮隧道進(jìn)口明挖段洞口地表塌陷形成的沉降槽，先分析隧道圍巖變形機(jī)理，然后結(jié)合隧道地表下沉、拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析了隧道進(jìn)口淺埋偏壓段圍巖的變形時(shí)空效應(yīng)規(guī)律，以此探討圍巖變形與掌子面距離關(guān)系的影響，以及隧道圍巖變形的特點(diǎn)和工程原因。

2 工程概況

萬榮隧道設(shè)計(jì)為為單洞雙線隧道。隧道起訖里程為DK555+117～DK562+800，全長7683m，最大埋深約為90.25m。全長7683m，隧道進(jìn)口～DK555+210.07段93m位于R=1200m的左偏曲線上，其余段落均位于直線上，隧道縱坡為單面上坡，坡度及坡長依次為4.9‰/333m、5.1‰/7350m。隧道地層為砂質(zhì)或黏質(zhì)新黃土、砂質(zhì)或黏質(zhì)老黃土、粉砂、細(xì)砂。不良地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土、粉砂地層。地表水不發(fā)育，地下水位埋深較深。隧道Ⅳ級(jí)圍巖180m，占2.34%；Ⅴ級(jí)圍巖7403m，占96.36%；Ⅵ級(jí)圍巖100m，占1.3%。隧道施工采用“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、超前加固；工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌緊跟到位；強(qiáng)化圍巖量測”的“三超前，四到位，一加強(qiáng)”的技術(shù)措施，隧道設(shè)5座無軌運(yùn)輸斜井和進(jìn)、出口明挖段。

3 隧道圍巖變形時(shí)空特性分析

3.1 隧道圍巖變形機(jī)理

由于隧道圍巖賦存環(huán)境及自身?xiàng)l件的復(fù)雜性，必然使隧道圍巖在受到外界荷載作用時(shí)出現(xiàn)復(fù)雜的受力變形，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)不同的變形機(jī)理。

3.2 隧道圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)

（1）地應(yīng)力作用的無時(shí)不在，無處不有。（2）開挖掌子面圍巖超前變形量和掌子面前方發(fā)生超前變形的范圍是隧道開挖掌子面前方圍巖先行變形的兩個(gè)當(dāng)量值。根據(jù)隧道圍巖在開挖前、開挖后未進(jìn)行支護(hù)毛洞、支護(hù)完成后三種情況下的實(shí)際變形可將隧道劃分為三個(gè)區(qū)域:隧道掌子面前方的先行微小變形區(qū)域;掌子面開挖擾動(dòng)的先期急劇增大變形區(qū)域及應(yīng)力重分布的緩慢變形區(qū)域;已支護(hù)段的圍巖穩(wěn)定變形區(qū)域。根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際狀況和后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反演分析得出:微小變形區(qū)是指隧道開挖掌子面前方約1倍洞徑范圍的超前變形區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生的原因主要是由于隧道開挖導(dǎo)致掌子面前方圍巖出現(xiàn)應(yīng)力釋放或失水產(chǎn)生固結(jié);急劇增大變形區(qū)集中在掌子面后方1到3倍洞徑的區(qū)域，該區(qū)域主要是由于隧道開挖導(dǎo)致地層缺失引起拱頂大的沉降，總變形量的大部分在此階段產(chǎn)生;緩慢變形區(qū)集中在掌子面后方3到5倍洞徑區(qū)域內(nèi)，由于此段圍巖應(yīng)力重分布完成，該區(qū)域內(nèi)拱頂沉降速率逐漸減小;穩(wěn)定變形區(qū)主要指掌子面后方5倍洞徑以外范圍，該區(qū)域在支護(hù)結(jié)構(gòu)的反力支撐下圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定

4 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測

4.1 監(jiān)控量測的目的

萬榮隧道進(jìn)口明挖淺埋偏壓段圍巖以砂質(zhì)新黃土的V級(jí)圍巖為主，隧道開挖導(dǎo)致圍巖變形有明顯的時(shí)空效應(yīng)，隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測是隧道施工的重要組成部分，作為不可缺少的施工工序，它不僅監(jiān)測各施工段圍巖動(dòng)態(tài)，確保施工安全，還能根據(jù)拱頂下沉和周邊收斂的變形及變形速率判斷隧道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，指導(dǎo)二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)，為隧道施工變更提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

4.2 圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)分析

選取隧道斷面DK555+644.5進(jìn)行圍巖變形分析，該斷面位于進(jìn)口明挖、偏壓淺埋段，圍巖級(jí)別為V級(jí)，穩(wěn)定性差，采用三臺(tái)階法開挖。1)拱頂下沉變形規(guī)律斷面DK555+644.5拱頂下沉累計(jì)量和下沉速率隨時(shí)間變化曲線如圖所示。由圖可知，當(dāng)隧道淺埋段采用三臺(tái)階開挖時(shí)，該斷面圍巖位移最終趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降量為119.6mm。隧道拱頂?shù)某两底冃胃鶕?jù)沉降速率主要分為四個(gè)階段:①上臺(tái)階開挖引起的急速變形階段，持續(xù)時(shí)間約7天，累計(jì)沉降量達(dá)45.2mm，占總沉降量的37.8%;②中臺(tái)階開挖引起的快速變形階段，該階段持續(xù)約11天，該階段的沉降量為39.9mm，約占總沉降量的33.4%;③下臺(tái)階開挖引起的緩慢變形階段，該階段持續(xù)11天，累計(jì)沉降量為34.5mm，占總沉降量的28.8%;④仰拱封閉變形穩(wěn)定收斂階段，出現(xiàn)在開挖30天左右，該階段變形速率趨向于零，整個(gè)目標(biāo)斷面的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)趨向于平衡。

5 結(jié)束論

通過隧道現(xiàn)場觀察，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對(duì)隧道進(jìn)口淺埋處地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂以及圍巖變形與時(shí)間、空間曲線進(jìn)行分析，結(jié)合隧道地表現(xiàn)場破壞特征，得出以下結(jié)論:1)隧道進(jìn)口淺埋偏壓段的開挖對(duì)地表擾動(dòng)較大，隧道開挖引起的變形范圍擴(kuò)展至地表，并在地表形成一個(gè)沉降槽，地表橫向沉降呈正態(tài)分布規(guī)律，且隨著埋深的增大地表累計(jì)沉降量逐漸減小。2)由于隧道施工速度保持在一定的速度之下，隧道圍巖變形與掌子面關(guān)系曲線和圍巖變形時(shí)間效應(yīng)特征曲線基本相似，隧道圍巖變形穩(wěn)定時(shí)，拱頂和周邊收斂測線基本上能同時(shí)趨于穩(wěn)定。

[1]王海強(qiáng),張成良,陳娛,張全全.基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時(shí)空特性分析 [J].世界科技研究與發(fā)展,2016,04:773-777.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-132-1