軟弱圍巖隧道變形監(jiān)測(cè)與分析

趙香玲

摘 要：針對(duì)軟巖隧道變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題，本研究依托武都西隧道，選取監(jiān)測(cè)斷面布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測(cè)。其間利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉及周邊收斂的位移、速率曲線，研究了拱頂沉降和周邊收斂的變形規(guī)律，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得曲線擬合方程，初步預(yù)測(cè)變形穩(wěn)定時(shí)的位移值，為類(lèi)似隧道變形監(jiān)測(cè)及變形規(guī)律研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道;變形監(jiān)測(cè);拱頂下沉;周邊收斂

中圖分類(lèi)號(hào)：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）06-0119-04

Deformation Monitoring and Analysis of Tunnel

with Weak Surrounding Rock

ZHAO Xiangling

（Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Abstract： Aiming at the problem of soft rock tunnel deformation monitoring， this study relied on the Wuduxi Tunnel， selected the monitoring section to arrange the measuring points， and monitored the settlement of the vault and the surrounding convergence. In the meantime， the monitoring data was used to draw the displacement and velocity curves of the dome subsidence and the surrounding convergence， and the deformation laws of the dome subsidence and surrounding convergence were studied， and the measured data were fitted to obtain the curve fitting equation and preliminarily predict the displacement value when the deformation was stable， so as to provide reference for similar tunnel deformation monitoring and deformation law research.

Keywords： soft rock tunnel;deformation monitoring;dome settlement;peripheral convergence

高速鐵路和高速公路的發(fā)展使得山嶺隧道逐漸增多，而山嶺隧道施工過(guò)程中，地質(zhì)環(huán)境存在一定的不確定性，軟巖隧道施工往往直接決定整個(gè)工程能否按時(shí)完成。對(duì)于軟巖隧道變形規(guī)律及監(jiān)測(cè)方法，諸多學(xué)者做出了諸多研究。

任博等分析了軟弱地層中圍巖變形產(chǎn)生的原因，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析研究了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系[1];林錦騰等借助數(shù)值模型和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究了山嶺隧道超淺埋段圍巖變形規(guī)律[2];王偉等依托在建隧道工程，研究了軟弱圍巖洞口淺埋段圍巖變形控制的問(wèn)題，得出了基于各施工階段的超前加固措施[3];趙志剛等研究了圍巖變形破壞的特征并分析了原因，提出了隧道大變形控制的有效措施[4];段清超等利用三維激光掃描技術(shù)，研究了隧道結(jié)構(gòu)變形的時(shí)間、空間等問(wèn)題[5];劉慶豐等利用區(qū)間估計(jì)方法，研究了公路隧道變形量分布范圍及預(yù)留變形量的問(wèn)題[6];侯公羽等采用分布式光纖進(jìn)行不同預(yù)張拉試驗(yàn)，確定了光纖監(jiān)測(cè)隧道變形時(shí)需要設(shè)定的最佳初始預(yù)張拉值[7];王英帆等通過(guò)對(duì)某高速公路隧道圍巖變形、鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了施工階段的圍巖變形規(guī)律和受力特點(diǎn)，并通過(guò)數(shù)值模擬，分析了不同鋼架間距對(duì)隧道圍巖變形控制效果的影響，提出了經(jīng)濟(jì)有效的初期支護(hù)參數(shù)[8];嚴(yán)錦江等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究了深埋隧道圍巖變形特征，得出了圍巖變形收斂天數(shù)[9];王永剛等通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析隧道施工過(guò)程中的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了木寨嶺隧道最大水平位移、拱頂沉降和擠壓變大變形的分布規(guī)律，基于此研究了灰質(zhì)板巖隧道初期支護(hù)和二襯施作時(shí)的變形控制基準(zhǔn)[10];張卓等根據(jù)軟硬巖圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)歸納和比較分析，指出軟硬巖塌方前變形曲線加速度呈整體遞增趨勢(shì)[11];成俊等通過(guò)對(duì)三維點(diǎn)云與若干斷面變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了運(yùn)用三維激光掃描監(jiān)測(cè)地鐵隧道變形的可行性[12];張錦等改進(jìn)了灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于預(yù)測(cè)隧道變形[13]。

綜上所述，軟巖隧道變形監(jiān)測(cè)、變形控制、監(jiān)測(cè)技術(shù)和變形規(guī)律等方面已有諸多研究，但是軟巖隧道變形監(jiān)測(cè)及變形規(guī)律還需要更多研究。

1 工程概況

武都西隧道采用分離式設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為1 892 m。左、右線均采用[R]-2800圓曲線和平面線，設(shè)計(jì)縱坡坡度為-2.2%。左線隧道ZK85+690至ZK87+573的全長(zhǎng)為1 883 m，設(shè)計(jì)縱坡坡度為-2.27%。隧道所處區(qū)域的外露地層構(gòu)造由上至下分別為：黃褐色土質(zhì)均勻、中密實(shí)新統(tǒng)黃土（[Q23]）;土質(zhì)不均勻、含有大量卵石、水平層的新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土（[Q23]）;下部由泥灰?guī)r變質(zhì)而成的千枚巖以及呈薄片狀、節(jié)理發(fā)育、極易破碎、巖石強(qiáng)度較低的灰軟巖組成。

2 軟弱圍巖隧道變形監(jiān)測(cè)方案

由于巖土工程的復(fù)雜性和特殊性，隧道前期勘察設(shè)計(jì)和實(shí)際開(kāi)挖后地質(zhì)構(gòu)造會(huì)有一定偏差，因此隧道施工期間需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的管理。隧道施工過(guò)程中所進(jìn)行的巖石力學(xué)試驗(yàn)和地質(zhì)調(diào)查以及巖石力學(xué)參數(shù)的重新確定為進(jìn)一步修訂隧道開(kāi)挖方法及支護(hù)參數(shù)提供了參考依據(jù)。武都西隧道采用新奧法施工，隧道采用復(fù)合襯砌。隧道開(kāi)挖期間對(duì)拱頂、周邊收斂等圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這關(guān)系到隧道二次襯砌的支護(hù)時(shí)間及初期支護(hù)的安全性。根據(jù)武都西隧道的施工方法、隧道所處區(qū)域的地質(zhì)情況及支護(hù)形式等工程資料，最終確定隧道開(kāi)挖過(guò)程著重開(kāi)展拱頂下沉監(jiān)測(cè)、周邊收斂監(jiān)測(cè)、洞內(nèi)觀察和支護(hù)情況監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

在隧道施工過(guò)程中，人們要監(jiān)測(cè)斷面布置間距，主要考慮圍巖級(jí)別和隧道埋深兩個(gè)因素。地表沉降監(jiān)測(cè)主要針對(duì)淺埋隧道和隧道洞口段。如果隧道處于Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域且埋深小于15 m，那么隧道屬于淺埋隧道，這時(shí)需要進(jìn)行地表沉降觀測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)、周邊收斂監(jiān)測(cè)和洞內(nèi)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面沿縱向15～20 m布置。對(duì)于Ⅲ級(jí)和Ⅱ級(jí)圍巖，監(jiān)測(cè)斷面縱向布置間距分別為20～30 m和30～50 m。如果圍巖段落比較零碎，每一段落都小于相關(guān)規(guī)范要求的監(jiān)測(cè)斷面布置距離，那么需要保證每一級(jí)圍巖段落至少布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。在隧道開(kāi)挖中，可根據(jù)研究需要及研究的深入程度，布置一些選測(cè)項(xiàng)目。

武都西隧道埋深較大，而隧道所處的圍巖絕大多數(shù)為Ⅴ和Ⅳ級(jí)圍巖。依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020），洞室內(nèi)進(jìn)行周邊收斂、拱頂下沉和洞內(nèi)觀察等必測(cè)項(xiàng)目，周邊收斂布置2條測(cè)線，按照規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)斷面設(shè)定為15 m一個(gè)，斷面具體測(cè)線布置如圖1所示，圍巖等級(jí)發(fā)生變化的地段可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)斷面。武都西隧道監(jiān)控量測(cè)所采用的儀器如下：拱頂下沉采用精度為0.1 mm的AT-G2水準(zhǔn)儀、銦鋼尺;周邊收斂采用精度為0.1 mm的周邊收斂?jī)x（JSS30A）。其間以《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）作為圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 軟巖拱頂沉降分析

武都西隧道圍巖基本為Ⅴ和Ⅳ級(jí)圍巖，因此在研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形規(guī)律時(shí)，本文選取了隧道右線YK 86+530處觀測(cè)斷面拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)作為圍巖變形的研究對(duì)象。拱頂下沉（見(jiàn)圖2）主要出現(xiàn)在隧道開(kāi)挖1～5 d，此過(guò)程位移較大，原因是隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力迅速釋放，導(dǎo)致圍巖變形量較大。另外，此時(shí)間段內(nèi)，初期支護(hù)產(chǎn)生支護(hù)效果還需要一段時(shí)間，并且初期支護(hù)屬于柔性支護(hù)，自身也會(huì)發(fā)生一定變形，最終導(dǎo)致此段時(shí)間內(nèi)拱頂沉降位移較大。16 d以后，拱頂沉降位移變化不大并趨于穩(wěn)定。

由圖3可以得出，隧道開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面YK 86+530后的第一天，拱頂沉降速度較快，而且處于急劇變化狀態(tài)，這一現(xiàn)象與圖2拱頂沉降位移急劇增加的情況一致。當(dāng)掌子面開(kāi)挖6 d后，拱頂沉降速率變緩，由于武都西隧道所處圍巖較為軟弱，施工單位為了控制圍巖變形，使其盡早處于穩(wěn)定狀態(tài)，在初期支護(hù)發(fā)揮作用的同時(shí)施作了第二道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。依據(jù)最新圍巖穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，16 d以后，拱頂下沉速率保持在0.07～0.15 mm/d，由此判定圍巖變形基本穩(wěn)定。

如圖4所示，當(dāng)開(kāi)挖掌子通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面10 m以后，拱頂沉降位移逐漸減少，說(shuō)明隧道開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處的拱頂沉降位移影響減小，開(kāi)挖至30 m以后基本對(duì)其未產(chǎn)生影響，初期支護(hù)發(fā)揮作用，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。隧道在監(jiān)測(cè)斷面30 m以內(nèi)開(kāi)挖，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處的拱頂沉降有一定的影響。本研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，得出擬合曲線為[y=69.521lnx+88.459]，其中，[y]為拱頂沉降位移量，[x]為時(shí)間，相關(guān)系數(shù)[R2]=0.962 8，說(shuō)明擬合函數(shù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)，即使用擬合函數(shù)是可以初步判斷拱頂沉降的最終值的，預(yù)測(cè)其最終凈空位移量為323.09 mm，如圖5所示。

3.2 軟巖周邊收斂變形分析

隧道開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面后，在1～5 d內(nèi)，周邊收斂位移變化較大，如圖6所示。由于隧道開(kāi)挖工藝的原因，初期支護(hù)并未完全閉合而形成支護(hù)拱圈，因此初期支護(hù)并不能充分發(fā)揮其支護(hù)作用，導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)周邊收斂位移較大。隧道掌子面開(kāi)挖5 d后，周邊收斂速度再次急劇減小。在到開(kāi)挖后的第3 d時(shí)，周邊收斂速度明顯有所減緩，如圖7所示，這時(shí)初期支護(hù)已發(fā)揮一定支護(hù)作用，使得周邊收斂速度有所減緩。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，到16 d時(shí)，周邊收斂速率小于0.6 mm/d，本研究據(jù)此判定圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖8所示，周邊收斂主要發(fā)生在距離監(jiān)測(cè)斷面25 m以內(nèi)的區(qū)域，25 m以后，隧道開(kāi)挖對(duì)其監(jiān)測(cè)斷面的周邊收斂位移影響不大，隧道掌子面開(kāi)挖至40 m以后對(duì)周邊收斂幾乎沒(méi)有影響。在距離掌子面5 m以內(nèi)，周邊收斂變化最大，其后增加量相對(duì)減少，由于隧道為軟弱圍巖，開(kāi)挖后圍巖自身外部拱圈形成較難，而在施作了超前加固及輔助支護(hù)結(jié)構(gòu)后，外部支護(hù)拱圈才逐漸形成，發(fā)揮其支護(hù)作用，承擔(dān)了一定的圍巖應(yīng)力?；诖耍谲泿r隧道施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)斷面25 m以內(nèi)要提高監(jiān)控量測(cè)頻率，同時(shí)提高隧道施工的安全意識(shí)。通過(guò)對(duì)該測(cè)點(diǎn)周邊收斂速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸，本研究得出擬合曲線方程為[y=100.371lnx+76.537]，其中，[y]為周邊收斂位移量，[x]為時(shí)間，相關(guān)系數(shù)[R2]=0.971 8，說(shuō)明擬合函數(shù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。利用擬合曲線預(yù)測(cè)可得，其最終凈空位移量為487.49 mm，如圖9所示，隨著時(shí)間的增加，沉降速度趨于減小，圍巖變形收斂，逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)武都西隧道YK 86+530斷面布設(shè)拱頂沉降、周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本研究對(duì)其圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制拱頂下沉和周邊收斂的位移、速率曲線，分析該處圍巖變形規(guī)律。在掌子面開(kāi)挖6 d以內(nèi)，以上兩部分位移量較大，而16 d以后位移變化基本趨于穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)拱頂沉降、周邊收斂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得，拱頂沉降擬合曲線為[y=69.521lnx+88.459]，周邊收斂位移量的擬合曲線方程為[y=100.371lnx+76.537]。

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