多點位移計在隧道中巖墻圍巖位移穩(wěn)定性分析

陳 帥 王玉瑩 王利明

(河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

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多點位移計在隧道中巖墻圍巖位移穩(wěn)定性分析

陳 帥 王玉瑩 王利明

(河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

介紹了多點位移計的測試原理及埋設安裝方法，結合工程實例，從初始值選取、技術參數(shù)、量測數(shù)據(jù)處理等方面，闡述了多點位移計在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應用，為隧道施工提供了依據(jù)。

隧道，多點位移計，圍巖，穩(wěn)定性

0 引言

在公路隧道施工中，現(xiàn)場一般采用新奧法設計和施工，隧道的開挖使得隧道洞室附近的巖體發(fā)生一定的松動與破壞，造成圍巖應力相應降低，從而不斷向隧道洞內產生一定的塑性松脹，進而將圍巖應力傳遞到周邊巖體，鄰近的巖體也就產生相應的塑性變形。這種塑性變形的范圍是向圍巖深部逐漸擴展的，從而在隧道的周邊產生一定范圍的塑性松動圈[1,2]。一般情況下，在隧道施工中除進行常規(guī)的洞內外觀察，地表下沉，拱頂下沉，周邊收斂等，隧道一般還進行了圍巖巖體多點位移的測試。有關研究表明，隧道內部位移的監(jiān)測不但對評價圍巖穩(wěn)定性研究至關重要，并且為隧道提供了合理經濟的支護設計依據(jù)。

1 多點位移計的測試原理及埋設安裝

1.1 多點位移計的測試原理

在隧道的監(jiān)控量測中，一般是通過鉆孔位移計量測洞內巖土體不同深度處位移。相對于隧道圍巖收斂觀測來說，多點位移計能量測到洞室圍巖內不同深度上的軸向變形。根據(jù)監(jiān)控量測資料不僅可分析判斷出隧道圍巖位移的松弛范圍和變化范圍，而且可以預測預報出圍巖穩(wěn)定性，從而為修改隧道錨桿支護參數(shù)和隧道的理論分析提供參考。

多點位移計的量測要按照試驗設計要求通過錨固于鉆孔內不同深度的錨頭，隨隧道基礎發(fā)生等量變位，與錨頭連接的測桿隨之發(fā)生等量移動，安裝于鉆孔口的振弦式位移計傳感器就會產生等量相對位移[3]。其相對位移的計算公式如式(1)所示：

S=K(Fi-F0)

(1)

式中：S——發(fā)生的位移量，mm；

K——多點位移計的靈敏度系數(shù)，mm/F；

1.2 多點位移計的埋設和安裝[4-6]

DDWXR-5002型振弦式多點位移計由三個基本部分組成：

1)鉆孔灌漿錨頭(或其他形式錨頭)2個～6個(與測點相同)；

2)不銹鋼測桿及其保護管；

3)位移計測頭組件及其護罩。一般在垂直、水平或任意方向的鉆孔內進行安裝，這種方法能夠在隧道、工業(yè)廠房、地下洞室、水壩壩基及邊坡等不同深度層的位移進行觀測，從而通過位移計量測鉆孔內沿測桿埋設方向任意兩點間的相對位移。多點位移計的結構示意圖見圖1。

1.2.1 鉆孔及洗孔

通過測量在設計位置處放點來確定出需要鉆孔的具體方位。根據(jù)隧道設計要求確定埋設高程、方位、角度，在設計定位的地方打孔，準備埋設測量桿。一般埋設孔有兩個尺寸，其中測桿埋設最小孔徑約為65 mm，深度需按設計要求來定；保護筒埋設的最小孔徑約為135 cm，深度約為470 mm。為確保多點位移計安裝順利以及埋設鉆孔的孔壁光滑，該鉆孔采用XY-2PC地質鉆機和金剛石鉆頭來進行鉆孔，還需對在鉆進過程中巖石發(fā)育較差的破碎帶巖體進行部分注漿加固處理。在鉆孔結束后檢查鉆孔暢通情況，測量其鉆孔方位、深度、傾角是否滿足設計要求，并對巖芯進行描述，做好鉆孔記錄。在多點位移計安裝前，采用導管通水從孔底向孔外進行沖洗，保持的壓力約為1.0 MPa。

1.2.2 錨頭及傳遞桿的安裝

將測桿順著保護筒筒底延長，并用塑料護管套在測桿外，在保護筒的起始處，用兩個分配盤每隔1.5 m將測桿分配開。之后的測桿可以每隔1.5 m用塑料扎帶扎在已套上塑料護管的測桿上，從而使測桿在進入鉆孔時不會散開。

測桿可以一直接長至設計孔底，且在測桿與錨頭擰上前，先在塑料護管的最后接上一節(jié)內有O形圈的小短塑料護管，從而達到阻擋泥砂進入的目的，之后將測桿與錨頭帶膠擰牢。最后再檢查一下各部位的安裝是否牢固，試拉動測桿位移計，則滑動軸應隨之一起運動，將保護筒的筒蓋蓋上。

1.2.3 多點位移計的安裝固定

將組裝好的多點位移計整體放入鉆孔，直至保護筒的筒底進入鉆孔的孔底，確保保護筒要放置牢固。然后即可進行砂漿的回填固結。在回填砂漿時需先將灌漿管插入孔底，然后從灌漿管內注入砂漿，使砂漿要由下向上泛漿，逐級灌漿逐級慢慢拔出灌漿管，同時也應逐級拔出排氣管，直到灌漿達到保護筒的底部。當水泥砂漿泛到保護筒的底部之后，將灌漿管和排氣管從中拔出。最后在多點位移計安裝定位后，還應及時測量出儀器初值，根據(jù)儀器的編號以及設計編號作好初始記錄并存檔，儀器的引出電纜必須嚴格保護。

2 工程概況

焦桐高速公路登汝段石門隧道地處登封市白坪鄉(xiāng)石門村附近，隧址位于嵩山山地南端，最大埋深約為37 m，為分離式隧道。隧道區(qū)多為剝蝕丘陵，屬于低山地貌，地形起伏，坡度相對比較緩。隧道圍巖為中風化～強風化白云巖，局部夾泥灰?guī)r，巖體較破碎松散，層間結合差，呈薄層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分被粘土填充。隧道進口段位于半山坡處，進洞口地面由于采石開挖，呈獨崖狀。其中進口段坡度約為70°，出口段坡度約為40°。本隧道的巖石基本物理力學性質指標參數(shù)如表1所示。

表1 巖石基本物理力學性質指標

該隧道左洞起止點樁號為K19+505～ K19+352，預埋式多點位移計安裝在該洞出口段中巖墻K19+387處，位于上臺階1 m左右處，該處圍巖類別大部分以Ⅳ類圍巖為主，中風化～強風化白云巖，其中局部夾泥灰?guī)r，裂隙微發(fā)育，因此圍巖穩(wěn)定性較好。調查該區(qū)的地下水的賦存情況可知主要可分為孔隙水，基巖裂隙水兩類，兩者對巖體的危害程度較輕或影響范圍較小。

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 初始值的選取

初始值的選取是指儀器在安裝埋設后，開始正式工作前所取的監(jiān)測值。該值的確定直接會影響以后資料分析的正確性，因此確定不當會引起系統(tǒng)性的誤差。為了確保安裝的位移計傳感器初始值選取的準確性，必須在儀器安裝埋設完畢并注漿24 h后讀取初始值，分別對儀器進行3次讀測，其差值小于1%F·S時的平均值，即可確定為初始值[7]。

3.2 主要技術參數(shù)和測量結果

在測量的過程中可依照主要儀器的技術參數(shù)來對測試結果進行分析計算，以確定數(shù)據(jù)的準確性和合理性。主要技術參考參數(shù)如表2所示，測得的前十天的數(shù)據(jù)成果匯總如表3所示。

表2 主要技術參考參數(shù)

表3 測量數(shù)據(jù)成果匯總

3.3 量測數(shù)據(jù)分析處理

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的分析研究，繪制出相應的觀測變化過程線性圖如圖2所示。這樣，可以直觀地了解和分析監(jiān)測中巖墻圍巖深部位移的變化情況和周邊圍巖的時態(tài)變化關系。

從K19+387監(jiān)測斷面中圍巖內位移的日常監(jiān)測數(shù)值來看，由于當安裝石門隧道左洞中巖墻處的多點位移計時，同一里程處的石門隧道右洞的下臺階已經開挖結束，從圖2曲線可以看出剛開始圍巖內位移變化速率緩慢增長，且向石門隧道右洞發(fā)展，逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖測點位移持續(xù)增長到最大值0.23 mm，隨著左洞下臺階的開挖，圍巖測點位移開始向左洞隧道的臨空面發(fā)展，且變化幅度較大，可以看到2 m測點處錨頭多點位移計的位移達到1.15 mm，1.5 m測點錨頭處的多點位移計的位移值達到1.38 mm，不超過圍巖變形破壞的臨界值，處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢婋x洞周壁面越近測點位移越大，離洞周壁面越遠測點位移越小，說明在開挖以后，越靠近臨空面，圍巖的位移變化值越大。在上下臺階開挖的過程中，隧道中巖墻處的內部位移變化起伏不大，圍巖總體比較穩(wěn)定，可以說明在這種圍巖條件下，采用上下臺階的開挖方式是合理經濟的作業(yè)方式。

4 結語

1)本工程埋設的多點位移計，監(jiān)測數(shù)據(jù)完整記錄了隧道中巖墻處內部圍巖位移變形的全過程，能夠用于內部圍巖的穩(wěn)定性分析研究，這是用其他的觀測方法或者實驗儀器難以獲得的，而且對于其他諸如用周邊收斂等觀測方法所獲得的隧道圍巖變形數(shù)據(jù)的處理以及估計隧道的最終變形位移量等有很大的指導意義，對其他類似圍巖等級的隧洞工程開挖方式的選取有較大的參考價值。

2)多點位移計在隧道的安裝過程中需要保證安裝質量和灌漿質量，并在后期的量測過程中及時量測，加強對儀器線纜的保護，防止后期所測數(shù)據(jù)的失真，從而影響分析。

[1] 李曉紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京:科學出版社,2001.

[2] 呂康成.隧道工程試驗檢測技術[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 王 鑫.信息化設計與施工技術在公路隧道中的應用[D].西安：西安建筑科技大學,2008.

[4] 高 軍，趙運臣.隧道變形監(jiān)測新技術的應用研究[J].西部探礦工程，2001(3)：101-103.

[5] 李海發(fā).隧道巖體多點位移測試[J].山西建筑，2000，26(1)：145-146.

[6] 孫根民，郝長生.軟巖地區(qū)多點位移計埋設及變形特性技術研究[J].西部探礦工程，2005(3):102-103.

[7] 高鵬偉，羅曉薇.振弦式多點位移計在穿黃隧道工程F3斷層施工中的應用[J].海河水利，2010(3)：50-52.

Rock-wall surrounding rock displacement stability analysis of MDMI in tunnel

Chen Shuai Wang Yuying Wang Liming

(HenanTrafficScience&TechnologyAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper introduces testing principles and embedding installation methods of MDMI. Combining with engineering examples, starting from aspects of original value selection, technical parameters and measurement data processing, it describes the application of MDMI in tunnel surrounding rock stability analysis, which has provided some guidance for tunnel construction.

tunnel, Multi-Displacement-Monitoring Instrument(MDMI), surrounding rock, stability

1009-6825(2016)20-0189-03

2016-05-04

陳 帥(1989- )，男，碩士，助理工程師

U451.2

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