隧道圍巖穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

周俊磊

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司 武漢 430034)

在隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法中，基于監(jiān)控量測(cè)的分析方法是隧道工程中應(yīng)用最廣泛的方法。通過施工過程中對(duì)隧道拱頂和墻腰進(jìn)行位移監(jiān)控，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而可確定出相應(yīng)的圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。由于該方法以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，且位移變化是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的外在反應(yīng)，因此，以圍巖位移變化評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性是適用性最強(qiáng)、最直接可靠的方法[2-3]。

1 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

隧道施工過程中，眾多安全事故都是由隧道開挖引起圍巖失穩(wěn)而發(fā)生，圍巖等級(jí)越高，產(chǎn)生安全事故的概率越大，經(jīng)過大量監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，圍巖穩(wěn)定性引起的安全事故主要發(fā)生在IV級(jí)和V級(jí)圍巖的隧道中。

本文基于IV級(jí)和V級(jí)圍巖的拱頂沉降和周邊收斂位移，利用MATLAB軟件用正態(tài)分布函數(shù)對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到圍巖變形穩(wěn)定值的均值和區(qū)間概率，然后對(duì)典型斷面位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)開挖工況下的位移特征，從而提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

1.1 施工工況統(tǒng)計(jì)

本文依托多條鐵路線共20多座隧道的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，分析隧道開挖過程圍巖穩(wěn)定性。所統(tǒng)計(jì)隧道，IV級(jí)圍巖分布在埋深小于300 m的區(qū)段，圍巖主要為第四系土、全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化沉積巖和變質(zhì)巖，斷層帶和特殊構(gòu)造帶；V級(jí)軟弱圍巖隧道，主要位于穩(wěn)定性較差的風(fēng)積沙黃土地層及強(qiáng)風(fēng)化的砂巖夾泥巖結(jié)構(gòu)地層，多存在于隧道洞口段埋深比較淺的位置，一般埋深小于50 m。隧道施工參數(shù)見表1。

表1 隧道施工參數(shù)

拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面上，監(jiān)測(cè)頻率以《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》為基準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況和監(jiān)測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整，但監(jiān)測(cè)頻率不應(yīng)低于規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。拱頂沉降和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 拱頂沉降和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2 IV級(jí)圍巖

1) 拱頂沉降。共統(tǒng)計(jì)了IV級(jí)圍巖隧道共285個(gè)斷面的拱頂沉降穩(wěn)定值，并進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，其分析結(jié)果見圖2和圖3。

隧道為IV級(jí)圍巖的拱頂沉降穩(wěn)定值擬合分析的正態(tài)分布函數(shù)列于表2。

圖2 拱頂沉降值散點(diǎn)圖

圖3 正態(tài)分布函數(shù)圖和拱頂沉降概率直方圖

表2 IV級(jí)圍巖隧道拱頂沉降穩(wěn)定值正態(tài)分布函數(shù)

注：μ為拱頂沉降穩(wěn)定值的均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2) 周邊收斂。共統(tǒng)計(jì)了IV級(jí)圍巖隧道共263個(gè)斷面的周邊收斂穩(wěn)定值，并進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，其分析結(jié)果見圖4和圖5。

隧道為IV級(jí)圍巖的周邊收斂穩(wěn)定值擬合分析的正態(tài)分布函數(shù)列于表3。

圖4 周邊收斂值散點(diǎn)圖

圖5 正態(tài)分布函數(shù)圖和周邊收斂概率直方圖

表3 IV級(jí)圍巖隧道周邊收斂穩(wěn)定值正態(tài)分布函數(shù)

注：μ為周邊收斂穩(wěn)定值的均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析IV級(jí)圍巖隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降值和周邊收斂值，IV級(jí)圍巖隧道開挖過程中日均最大拱頂沉降值約3.0 mm,日均最大周邊收斂值約2.5 mm。

1.3 V級(jí)圍巖

1) 拱頂沉降。共統(tǒng)計(jì)了V級(jí)圍巖隧道共251個(gè)斷面的拱頂沉降穩(wěn)定值，并進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，其分析結(jié)果見圖6和圖7。

隧道為V級(jí)圍巖的拱頂沉降穩(wěn)定值擬合分析的正態(tài)分布函數(shù)列于表4。

圖6 拱頂沉降值散點(diǎn)圖

圖7 正態(tài)分布函數(shù)圖和拱頂下沉值概率直方圖

表4 V級(jí)圍巖隧道拱頂沉降正態(tài)分布函數(shù)

注：μ為拱頂沉降穩(wěn)定值的均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

3) 周邊收斂。共統(tǒng)計(jì)了V級(jí)圍巖隧道共272個(gè)斷面的周邊收斂穩(wěn)定值，并進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)擬合，其分析結(jié)果見圖8和圖9。

隧道為V級(jí)圍巖的周邊收斂穩(wěn)定值擬合分析的正態(tài)分布函數(shù)列于表5。

圖8 周邊收斂值散點(diǎn)圖

圖9 正態(tài)分布函數(shù)圖和周邊收斂值概率直方圖

表5 級(jí)圍巖隧道周邊收斂正態(tài)分布函數(shù)

注：μ為周邊收斂穩(wěn)定值的均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析V級(jí)圍巖隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降值和周邊收斂值，V級(jí)圍巖隧道開挖過程中日均最大拱頂沉降值約10.0 mm,日均最大周邊收斂值約5.0 mm。

2 圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

基于隧道圍巖位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可將隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，因此通過上述分析，提出包括圍巖的位移和位移速率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)來判斷隧道開挖圍巖的穩(wěn)定性。

1) 位移。圍巖位移評(píng)價(jià)指標(biāo)主要通過隧道監(jiān)測(cè)位移(拱頂沉降和周邊收斂位移)的統(tǒng)計(jì)值分析，并對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合得到。以拱頂沉降值和周邊收斂值為指標(biāo)的隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表6。

表6 隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)建議值(位移累計(jì)值)

注：本表評(píng)價(jià)指標(biāo)，硬質(zhì)圍巖取較小值，軟質(zhì)圍巖取較大值。

我國《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)隧道圍巖極限位移提出了以相對(duì)位移為標(biāo)準(zhǔn)的參考值，根據(jù)常見隧道的凈寬和凈高范圍分別計(jì)算出了《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)極限位移的參考絕對(duì)值，與本文提出的指標(biāo)建議值進(jìn)行比較，見表7。

表7 規(guī)范參考值與指標(biāo)建議值比較

表7中的規(guī)范參考值和本文提出的指標(biāo)建議值存在一定差距，本文提出的指標(biāo)建議值是基于一定的圍巖和支護(hù)條件下的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)而提出的，因此指標(biāo)建議值也是對(duì)規(guī)范參考值有益的補(bǔ)充和完善，可為同類隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

2) 速率。基于上述對(duì)IV級(jí)和V級(jí)圍巖隧道拱頂沉降和周邊收斂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定出了各級(jí)圍巖隧道在開挖過程中的變形特征，發(fā)現(xiàn)不同圍巖隧道在開挖過程中最大位移速率不同，但是對(duì)于同一類圍巖，各個(gè)斷面的最大位移速率都比較接近。因此提出IV級(jí)和V級(jí)圍巖隧道以最大日均速率為標(biāo)準(zhǔn)的拱頂沉降值和周邊收斂值的評(píng)價(jià)指標(biāo)建議值。見表8。

表8 隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)建議值(位移速率)

3 結(jié)論

1) 運(yùn)用數(shù)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)分析隧道施工現(xiàn)場(chǎng)位移測(cè)量數(shù)據(jù)，提出了隧道開挖過程中以圍巖拱頂沉降和圍巖周邊收斂的位移累計(jì)值和位移速率為標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，可為隧道施工階段圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2) 對(duì)于具有相似圍巖狀況和施工工況的IV級(jí)和V級(jí)圍巖隧道，當(dāng)位移累計(jì)值和位移速率超過本文提出的指標(biāo)建議值,應(yīng)立即預(yù)警,并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,防止安全事故的發(fā)生。

3) 本文提出的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與當(dāng)前行業(yè)內(nèi)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)存在一定差距，但也是基于一定的圍巖和支護(hù)條件下的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)而提出的，可為同類隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。