浙江省某超長輸水隧洞圍巖收斂施工期觀測分析

徐 剛 ， 魏海云 ，3，黃劍鋒 ，趙震波 ，盧 立

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3. 浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310020；4. 浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

杭州市第二水源千島湖配水工程輸水洞線全長112.34 km，起點金竹牌進水口位于淳安縣金竹牌村附近，沿途經(jīng)淳安縣、建德市、桐廬縣、富陽市，在杭州市余杭區(qū)樺樹村接入閑林水庫，其中輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.39 km，圓形斷面，襯后直徑6.70 m，輸水隧洞開挖采用鉆爆法掘進。本次監(jiān)測區(qū)域范圍為：千島湖進水口—山崗塢支洞控制段K0 + 000.0 ～ K39 + 265.0 m，穿過巖層有灰?guī)r、砂巖、局部夾薄層的粉砂質(zhì)泥巖等軟巖，圍巖類別為Ⅰ～Ⅴ類，以Ⅱ～Ⅳ為主，主要地質(zhì)不良現(xiàn)象有巖溶、風(fēng)化、坍塌等。

隧洞開挖采用新奧法施工，充分維護和利用圍巖自承能力，初期支護采用鋼拱架、錨噴等柔性支護體系，使圍巖與支護形成共同承載的結(jié)構(gòu)體系。為了掌握圍巖和初期支護的動態(tài)信息并及時反饋、指導(dǎo)施工作業(yè)，需在洞挖中對隧洞收斂變形進行觀測，將監(jiān)測的成果反饋于設(shè)計與施工過程中，以確保工程施工安全和經(jīng)濟性[1]。收斂觀測是采用儀器量測隧洞開挖后洞周若干點相對位置的變化，及時掌握圍巖變形發(fā)展動態(tài)，監(jiān)測施工過程中隧洞的安全程度。是檢驗圍巖是否穩(wěn)定和支護是否合理的重要手段之一[2]。收斂觀測一般為周邊收斂和拱頂下沉，是觀測隧洞圍巖和支護的綜合影響因素最為直觀的反映，本次收斂觀測為施工期觀測，觀測時間從隧洞開挖至后期襯砌前。

2 收斂觀測內(nèi)容及設(shè)置

2.1 收斂觀測布置

隧洞工程施工期監(jiān)測原則為：監(jiān)測項目選擇應(yīng)針對具體的地形及地質(zhì)條件和監(jiān)測目標，體現(xiàn)其針對性；監(jiān)測數(shù)據(jù)采集應(yīng)按施工程序緊跟掌子面，體現(xiàn)其及時性；監(jiān)測信息反饋分析應(yīng)配合施工臨時支護的力學(xué)分析，體現(xiàn)其對施工監(jiān)測的指導(dǎo)作用。本工程隧洞收斂觀測設(shè)計的主要依據(jù)為GB 50086 — 2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》[3]，SL 279 — 2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[4]和SL 377 — 2007《水利水電工程錨噴支護技術(shù)規(guī)范》[5]。

（1）收斂變形監(jiān)測：主要監(jiān)控隧洞掘進過程中平面內(nèi)空尺寸的變化情況。本工程設(shè)計隧洞內(nèi)收斂變形（收斂測點）監(jiān)測斷面布置原則：Ⅰ～ Ⅲ類圍巖各2個斷面，施工支洞各布置1個斷面，Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，間距50 m布置1個斷面，每個監(jiān)測斷面布置5個收斂測點。

（2）拱頂下沉監(jiān)測：拱頂下沉監(jiān)測主要監(jiān)控隧洞掘進過程中豎向尺寸的變化情況，指導(dǎo)施工期的支護。拱頂下沉及底板隆起監(jiān)測斷面主要布置在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，間距50 m布置。每個監(jiān)測斷面布置1個測點，與拱頂?shù)氖諗奎c結(jié)合使用。

本工程典型隧洞收斂測點及測線布置見圖1，典型觀測斷面布置情況見表1。

圖1 隧洞收斂測點及測線布置

表1 隧洞收斂典型觀測斷面布置表

2.2 收斂觀測方法

根據(jù)洞挖斷面圍巖巖性、圍巖類別等地質(zhì)資料，確定收斂測樁的埋設(shè)位置。監(jiān)測斷面在距開挖面1 m范圍內(nèi)布設(shè)，測樁安裝前，應(yīng)清除測樁安裝處的松動巖石，測樁應(yīng)牢固可靠，一般埋設(shè)深度20 cm。測樁采用專門制作的膨脹螺栓，其掛鉤為封閉的不銹鋼環(huán)。在圍巖，用沖擊鉆鉆一個深度20 cm以上的鉆孔，用速凝水泥砂漿將測樁埋設(shè)，待水泥砂漿凝固后進行觀測。本工程觀測儀器采用美國基康儀器公司的GK - 1610 - 2 - 20型高精度數(shù)顯式銦鋼尺式收斂計，量程20.00 m，量測精度0.01 mm。

在工作面開挖后12 h或下一循環(huán)開挖前，完成測點并讀取初始數(shù)據(jù)。每次觀測時，記錄開挖面距觀測斷面的距離、隧洞施工與支護情況。每次量測測讀3次，讀數(shù)互差不超出收斂計的精度，取其平均值作為當次測值。拱頂下沉和收斂變形觀測頻率根據(jù)圍巖變形規(guī)律及現(xiàn)場要求確定，掌子面2倍洞徑以內(nèi)，測樁安裝后1 ～ 15 d，其后監(jiān)測頻率為每月4次，觀測24個月。當觀測結(jié)果表明圍巖變形明顯增大時，應(yīng)加大觀測頻率；當發(fā)現(xiàn)觀測值有明顯異常時，應(yīng)重新觀測并查明原因。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 收斂控制指標

根據(jù)工程要求和工程實際情況，并參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》和Q/CR 9218 — 2015《鐵路隧洞監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[6]，表2和表3給出本工程隧洞允許的收斂量和拱頂下沉量。表2中洞周相對收斂量是指兩測點間實測位移值與兩測點間距離之比。表3中拱頂相對下沉是指拱頂下沉值減去隧道下沉值后與原拱頂至隧底高度之比。當觀測值達到或超過允許的收斂值時，應(yīng)報警并采取加強支護的措施。

表2 隧洞周邊允許相對收斂值表 %

表3 隧洞拱頂相對下沉表 %

3.2 收斂變形分析

各觀測斷面測線的收斂變形特征值見表4，各斷面收斂變形及收斂變形速率隨時間變化的過程曲線分別見圖2 ～ 7。由表4和圖2 ～ 5可知，由于圍巖開挖的空間效應(yīng)和時間效應(yīng)，開挖初期位移隨時間迅速增大，隨著時間的增加和測點離掌子面的距離越來越遠，一般情況下圍巖的變形速率越來越小，位移逐漸趨于穩(wěn)定。

表4 隧洞收斂變形特征值統(tǒng)計表

由表4、圖2 ～ 3可知，ID1及ID4斷面圍巖為砂巖，Ⅳ類圍巖條件一般，變形蠕變時間長，收斂測值大。ID1斷面收斂觀測始于2018年5月23日，7月21日變形速率小于0.10 mm/d，9月20日變形速率趨近0.02 mm/d，圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大累計收斂變形26.43 mm，相對收斂為0.38%，未超限。

ID4斷面收斂觀測始于2017年5月27日，8月6日累計收斂變形30.10 mm，相對收斂0.40%，達到設(shè)計控制指標值（0.40%），10月20日累計收斂變形41.44 mm，變形速率小于0.10 mm/d，10月29日變形速率突然增至0.93 mm/d，當即采取隧洞拱底支撐加固措施，11月18日變形速率趨近0.02 mm/d，圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大累計收斂變形56.52 mm，相對收斂0.78%。

圖2 ID1斷面收斂變形及收斂變形速率過程線圖

圖3 ID4斷面收斂變形及收斂變形速率過程線圖

圖4 ID2斷面收斂變形及收斂變形速率過程線圖

圖5 ID3斷面收斂變形及收斂變形速率過程線圖

圖6 ID6斷面收斂變形及收斂變形速率過程線圖

由表4、圖4 ～ 6可知，ID2、ID3及ID6斷面圍巖為泥巖，Ⅳ類圍巖，圍巖條件較差，變形蠕變時間長，收斂變形顯著較大。ID2斷面收斂觀測始于2018年6月12日，11月6日變形速率趨近0.01 mm/d，圍巖變形趨于穩(wěn)定；最大累計收斂變形66.20 mm，相對收斂0.98%，超出設(shè)計控制指標值（0.80%）。

ID3斷面收斂觀測始于2018年1月25日，1月28日累計收斂變形35.11 mm，相對收斂0.55%，2月8日累計收斂變形115.57 mm，相對收斂1.85%，遠超設(shè)計控制指標值（0.40%），當即實施鋼拱架鎖腳錨桿、底支撐加固措施，4月17日又進行圍巖灌漿加固，變形速率逐漸減小，2018年5月9日變形速率趨近0.01 mm/d，圍巖變形最后趨于穩(wěn)定；最大累計收斂變形148.75 mm，相對收斂2.34%。

ID6斷面收斂觀測始于2018年1月12日，2月10日變形速率小于0.10 mm/d，4月27日變形速率趨近0.02 mm/d，圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大累計收斂變形14.40 mm，相對收斂為0.19%，未超限。

圖7 ID5斷面收斂變形及收斂變形速率過程線

由表4和圖7可知，ID5斷面位于巖溶區(qū)，圍巖為灰?guī)r，Ⅲ（1）類圍巖條件較好，各條測線收斂測值較小，洞周最大收斂變形3.00 mm，相對收斂0.05%；圍巖變形收斂速度較快，24 d左右時變形速率趨近0.02 mm/d，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

3.3 拱頂下沉分析

表5為隧洞拱頂下沉特征值統(tǒng)計表，圖8為各斷面隧洞拱頂下沉過程線圖。由表5和圖8可知，隧洞拱頂下沉變化規(guī)律與收斂變形類似，開挖初期拱頂下沉隨時間迅速增大，當達到一定時間后，下沉速率越來越小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

位于砂巖段的ID1斷面隧洞拱頂下沉測值大，累計拱頂下沉17.20 mm，相對下沉量0.25%；ID4斷面拱頂下沉持續(xù)增長，采取隧洞拱底支撐加固措施后，拱頂下沉趨于穩(wěn)定，累計拱頂下沉32.53 mm，相對下沉量0.46%，稍超過設(shè)計控制指標值（0.40%）。

位于泥巖段的ID2斷面拱頂下沉測值相對較大，累計拱頂下沉49.23 mm，相對下沉量0.70%，接近超過設(shè)計控制指標值（0.80%）；ID3斷面拱頂下沉測值大，采取鋼拱架鎖腳錨桿、底支撐加固以及圍巖灌漿措施后，拱頂下沉趨于穩(wěn)定，累計拱頂下沉101.45 mm，相對下沉量1.45%；ID6斷面隧洞拱頂下沉測值較大，累計拱頂下沉8.68 mm，相對下沉量0.12%。

位于灰?guī)r段的ID5斷面拱頂下沉測值較小，累計拱頂下沉0.94 mm，相對下沉量0.01%

表5 隧洞拱頂下沉特征值統(tǒng)計表

圖8 各斷面隧洞拱頂下沉過程線圖

4 結(jié) 語

通過超長輸水隧洞圍巖收斂施工期觀測分析，得出以下成果:

（1）由于圍巖開挖的時空效應(yīng)，開挖初期位移迅速增大，隨著時間的增加和測點離掌子面的距離越來越遠，一般情況下圍巖的變形速率越來越小，位移逐漸趨于穩(wěn)定。硬質(zhì)圍巖變形在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，且收斂變形較小；軟質(zhì)圍巖變形蠕變時間長，收斂變形較大。

（2）隧洞收斂觀測是通過大量實測數(shù)據(jù)對圍巖穩(wěn)定性及支護效果進行分析評價，以指導(dǎo)施工和保障施工的安全。本工程觀測結(jié)果反映圍巖變形發(fā)展動態(tài)，及時報警并采取加強支護的措施，加固后變形速率逐漸減小，圍巖變形趨于穩(wěn)定，確保工程施工安全和經(jīng)濟性。