大斷面隧道監(jiān)控量測與穩(wěn)定性分析

裴巧玲

西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院,陜西西安710043

“控制爆破、錨噴支護(hù)、監(jiān)控量測”并稱為新奧法的三大支柱。其中的監(jiān)控量測是獲取隧道“動態(tài)施工信息”的重要手段，通過監(jiān)控量測，可以實時監(jiān)控施工過程中圍巖體的力學(xué)信息，以此判別圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)、確定開挖方案的可行性及支護(hù)設(shè)計參數(shù)的合理性，不僅為隧道信息化動態(tài)施工管理提供第一手信息，還將推動隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的完善和發(fā)展。文章以某高鐵隧道為背景，搜集現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，借助Origin軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析整理，以期找出該隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征和規(guī)律，為后續(xù)確定開挖方案、選取數(shù)值分析參數(shù)提供一些參考[1-3]。

1 工程概況

該隧道位于青海省西寧市大通縣和門源縣交界處，全長14.945 km，最大埋深1085.5 m，最大斷面達(dá)110 m2。隧道穿越大阪山脈的主脊，自然坡度較陡，最大坡度達(dá)20°～40°，山脈多處為基巖峭壁，“V”型侵蝕谷分布較密集，且溝谷內(nèi)常有積水匯集，沿線分布有數(shù)十條斷層破碎帶，總長達(dá)5000 m。因而，如何及時有效地控制大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、準(zhǔn)確地對大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出評價，進(jìn)而制定出經(jīng)濟(jì)合理施工方案。為此，筆者搜集該隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助Origin軟件和回歸函數(shù)，分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線變化趨勢，歸納圍巖體的變形特征和規(guī)律，預(yù)測圍巖體沉降變形的最終值，為確定正確的開挖方案提供參考。

2 監(jiān)控量測實施方案

2.1 監(jiān)控量測內(nèi)容與頻率

結(jié)合技術(shù)規(guī)范和該隧道的工程地質(zhì)情況，確定了地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、拱頂下沉、周邊位移量測和地表下沉量測（Ⅳ級圍巖洞口和淺埋地段）四個主要測項目。各項目監(jiān)測頻率如表1所示[4]。

表1 監(jiān)測頻率Table 1 Frequencies of monitoring

2.2 測點與測線布置

該隧道洞口段處于淺埋區(qū)、巖體風(fēng)化作用強烈，自穩(wěn)能力較差，按照每隔10 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面。洞身深埋段按照間隔20 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面。該項目監(jiān)測斷面中采用臺階法施工，布置3個拱頂沉降點、4條周邊位移監(jiān)測線（如圖1所示）。

圖1 測點、測線布局Fig.1 Layout of points and line in tunnel

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

3.1 洞內(nèi)狀態(tài)觀察

該項目以DK265+320為監(jiān)測斷面，此處地層揭露為閃長巖，礦物以長石、角閃石、石英等為主，巖質(zhì)較堅硬，節(jié)理較發(fā)育，弱富水，呈塊狀構(gòu)造，分布有約200 m寬的角礫巖為主構(gòu)成的破碎帶，膠結(jié)性較差。初步判定圍巖為Ⅲ級，擬定臺階法開挖[5,6]。

3.2 拱頂沉降變形曲線分析

DK265+320斷面處拱頂左、中、右三個測點沉降情況如圖2所示，整個曲線呈“拋物線”型。從圖3所示中間測點的拱頂沉降曲線得知，該測點在埋設(shè)后10 d時間內(nèi)，曲線呈快速增長，沉降速度基本在5.00 mm/d以上浮動，平均速度達(dá)8.28 mm/d。15 d以后沉降速度逐漸衰減，速度降至在1.00 mm/d以下，曲線趨于平緩。22 d以后開始下半斷面開挖，拱頂沉降有一個突變增加至2.87 mm/d，繼而又迅速下降，在下半斷面開挖20 d后，沉降速度明顯減小，曲線逐漸平緩。沉降速度降至0.1 mm/d。此時沉降值有一定增加，說明下臺階開挖時，由于初期支護(hù)對拱部圍巖的約束和保護(hù)作用，使得下臺階開挖作業(yè)對拱頂沉降干擾較小，在68 d時拱頂沉降值達(dá)到145.68 mm.

圖2 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.2 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖3 DK265+320斷面拱頂沉降曲線圖Fig.3 The vault settlement curves of DK265+320 section

圖4 DK265+320斷面拱頂沉降變形速率曲線圖Fig.4 The vault settlement deformation rate curves of DK265+320 section

3.2 周邊位移收斂變形曲線分析

從圖5周邊位移曲線得知，AA測線、BB測線變形曲線均呈“似拋物線”型。上半斷面開挖后前7 d曲線快速增長，收斂速度均在4.00 mm/d以上，平均速度達(dá)5.54 mm/d。7 d以后曲線收斂速度逐漸衰減，收斂速度降至1.00 mm/d以下，曲線呈下降趨勢，說明上半斷面施作的初期支護(hù)已開始約束圍巖的收斂變形，圍巖自身承載力開始發(fā)揮作用。21 d以后位移收斂速率0.61 mm/d，說明初期支護(hù)對拱部圍巖變形的約束已發(fā)揮作用，周邊位移已慢慢穩(wěn)定。

圖5 DK265+320斷面周邊水平位移曲線圖Fig.5 The horizontal displacement curves surrounding DK265+320 section

圖6 DK265+320斷面周邊水平變形速率曲線圖Fig.6 The horizontal deformation rate curves surrounding DK265+320 section

21 d以后開始下半斷面開挖，AA測線曲線在初始階段水平位移有一突變，但增量僅為2.83 mm，收斂曲線形狀變化極小，說明下臺階開挖的選擇時機較為合理，初期支護(hù)體系以發(fā)揮其約束圍巖變形的能力。在下半斷面開挖后7 d，收斂速度呈現(xiàn)遞減，曲線逐漸平緩。最后，在上半斷面開挖后37 d后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率接近于0，位移收斂值達(dá)到63.35 mm。該斷面的BB測線在下半斷面開挖5 d時間內(nèi)，收斂速率在1.00 mm/d以上，而后曲線慢慢逐漸趨于平緩。在32 d時位移收斂值達(dá)到9.37 mm[7]。

3.4 監(jiān)控量測曲線穩(wěn)定性分析

由于采集數(shù)據(jù)具有離散性特性，故需對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，并依據(jù)函數(shù)關(guān)系對變形曲線進(jìn)行擬合，以預(yù)測結(jié)構(gòu)的最終沉降值。在該項目中，回歸函數(shù)選用一次負(fù)指數(shù)方程。其方程為：u=ABe-kt，其中t為時間，u為t時刻回歸函數(shù)，A、B、k為回歸系數(shù)?，F(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)回歸分析如表2所示，并將回歸曲線繪制在在圖3、圖4、圖5中。從圖中可知，回歸方程的理論值曲線與實測值曲線吻合度較高，R均在95%以上，說明可以采用該方程來預(yù)測圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的變形與時間之間的關(guān)系。通過拱頂沉降、周邊位移實測值與回歸分析計算值進(jìn)行對比分析（如表3、4），誤差均在5%以下，說明用該回歸方程預(yù)測拱頂沉降、周邊位移值是可行的[8-10]。

表2 DK265+320斷面的拱頂沉降、周邊最終位移量對比分析Table 2 Comparative analysis of vault settlement and surrounding final displacement of DK265+320 section

表3 DK265+320斷面拱頂沉降實測值與理論值比較Table 3 Comparison of actual settlement value and theoretical value of DK265+320 section

表4 DK265+320斷面周邊位移實測值與理論值比較Table 4 Comparison of actual value and theoretical value surrounding DK265+320 section

4 小結(jié)

（1）監(jiān)測分析結(jié)果表明，Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖時，沉降變形曲線以“拋物線”型為主，均經(jīng)歷快速增長——慢速增長——趨于平緩三個階段。從監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)來看，隧道拱頂沉降量比周邊水平收斂值大，在施工中需重點監(jiān)控該處拱頂沉降值，且隧道拱頂沉降和周邊位移均在預(yù)留變形量范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求；

（2）從監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的結(jié)果看，拱頂下沉量實測值及周邊位移實測值均略大于回歸函數(shù)計算值，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)還未達(dá)到穩(wěn)定要求，需要二次襯砌的確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)拱頂沉降和周邊位移的變形曲線的位移值、位移速率確定了該隧道二次襯砌的施作時間，在開挖35 d～48 d后施工較為合理；

（3）采用一次負(fù)指數(shù)函數(shù)作為回歸函數(shù)，利用該函數(shù)曲線與現(xiàn)場監(jiān)測曲線相擬合，二者吻合度較高；并運用該函數(shù)預(yù)測最大位移值與實測值進(jìn)行對比，誤差也較小，說明用該回歸方程預(yù)測隧道的最終拱頂沉降值和周邊位移是可行的。