淺談地下洞室圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)的實(shí)施

朱慧敏 方義泉

信江船閘通航中心界牌航電樞紐管理處 江西 鷹潭 335000

引言

地下工程巖體表面變形是圍巖開挖后應(yīng)力重新分布的直觀反映，通常是根據(jù)變形量的大小來(lái)判斷圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，因此圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)是洞室圍巖開挖過(guò)程中最常見的監(jiān)測(cè)手段。收斂變形監(jiān)測(cè)主要是量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的相對(duì)位移值，即圍巖壁面兩點(diǎn)之間距離的變化值。這是判斷圍巖性態(tài)的主要量測(cè)手段。

地下洞室圍巖周邊各點(diǎn)趨洞室中心的變形稱為收斂，收斂觀測(cè)是指對(duì)地下洞室壁面兩點(diǎn)間距離變化值進(jìn)行量測(cè)。其主要監(jiān)測(cè)目的有：

第一，圍巖內(nèi)空變位是地下洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直接反映，測(cè)量圍巖內(nèi)空變位量是判斷圍巖穩(wěn)定性最直接的依據(jù)；

第二，根據(jù)圍巖內(nèi)空變位速率為開挖圍巖二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)圍巖支護(hù)施工。

1 監(jiān)測(cè)斷面布置

本文所討論的施工期收斂監(jiān)測(cè)布置形式，施工階段進(jìn)行的施工安全監(jiān)測(cè)，遵循洞室圍巖開挖的一般規(guī)律。根據(jù)具體的地形及地質(zhì)條件有針對(duì)性地選擇合適的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。錨噴支護(hù)工程收斂監(jiān)控量測(cè)可按表1確定[1]。

表1 錨噴支護(hù)工程收斂監(jiān)控量測(cè)表

1.1 測(cè)點(diǎn)的布置與數(shù)量

測(cè)點(diǎn)的布置與測(cè)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)工程地質(zhì)條件確定。一般Ⅰ～Ⅲ圍巖較長(zhǎng)地下洞室選擇代表性斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)Ⅳ～Ⅴ類圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。觀測(cè)斷面應(yīng)盡可能緊隨掌子面布置，斷面間距宜大于2倍洞徑，斷面測(cè)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)圍巖等級(jí)與斷面尺寸及形狀確定，一般優(yōu)先考慮布置在頂拱、拱座與圍巖邊墻。常見測(cè)線布置形式有3測(cè)點(diǎn)3測(cè)線，5測(cè)點(diǎn)6測(cè)線和5測(cè)點(diǎn)8測(cè)線。

1.2 測(cè)點(diǎn)安裝與埋設(shè)

用電錘或風(fēng)鉆在選定的測(cè)點(diǎn)處，垂直洞壁打孔，孔徑與孔深視測(cè)樁直徑、長(zhǎng)短和型式而定。安裝必須牢固，外露掛鉤圓環(huán)（或球頭、錐體，收斂反光片）應(yīng)盡量靠近巖面，不宜出露太多。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)必須用保護(hù)罩保護(hù)，保護(hù)罩應(yīng)有足夠的剛度，安裝要牢固。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

應(yīng)在測(cè)點(diǎn)首先安裝完成后盡快取得初測(cè)值。

2.1 觀測(cè)頻次

收斂觀測(cè)頻率根據(jù)圍巖的變形速率、受掌子面爆破施工影響大小等因素確定，一般新設(shè)觀測(cè)斷面的測(cè)量為1天／次，距離掌子面4倍洞徑時(shí)或測(cè)值趨于穩(wěn)定時(shí)為3～5天／次，遇到特殊情況時(shí)可以增加測(cè)次[2]。

2.2 觀測(cè)方法

地下洞室圍巖收斂觀測(cè)通常采用鋼尺收斂計(jì)或精度較高的全站儀，鋼尺收斂計(jì)包括機(jī)械式和數(shù)字式兩種形式。

2.2.1 鋼尺收斂計(jì)法。機(jī)械式收斂計(jì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母測(cè)微量來(lái)調(diào)整鋼帶尺的張力到規(guī)定的張力值，通過(guò)百分表來(lái)讀長(zhǎng)度尾數(shù)；數(shù)字式收斂計(jì)可以自動(dòng)調(diào)整鋼帶尺的張力到規(guī)定的張力值，顯示屏上的讀書即是長(zhǎng)度尾數(shù)。

2.2.2 全站儀法。使用測(cè)距1mm+2ppm以上精度的全站儀，選擇離監(jiān)測(cè)斷面合適的位置設(shè)站，照準(zhǔn)收斂反光片十字絲，當(dāng)全站儀十字絲中心點(diǎn)與反光片中心點(diǎn)完全重合時(shí)測(cè)讀。在同一斷面不得挪動(dòng)全站儀，由各測(cè)點(diǎn)測(cè)出的相對(duì)坐標(biāo)求得測(cè)線長(zhǎng)度，通過(guò)與前面測(cè)值的比較進(jìn)而計(jì)算圍巖的收斂值。

采用全站儀量測(cè)圍巖收斂，較鋼尺收斂計(jì)更快捷、安全，若洞內(nèi)照明條件好，測(cè)距可以達(dá)50m以上，這樣就解決了測(cè)點(diǎn)高度大，收斂尺不易掛鉤的難題，量測(cè)時(shí)一般不影響洞內(nèi)交通。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖支護(hù)情況，通過(guò)監(jiān)測(cè)圍巖變形數(shù)據(jù)判斷支護(hù)受力狀態(tài)，指導(dǎo)優(yōu)化圍巖支護(hù)方案及施工。

3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

通?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的是各測(cè)點(diǎn)間的距離的變化，所以是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移之和。要得到各測(cè)點(diǎn)的位移，可通過(guò)計(jì)算求得近似值，如“坐標(biāo)法”“聯(lián)立方程法”“余弦定理法”和“測(cè)角計(jì)算法”等方法計(jì)算[3]。

以下給出聯(lián)立方程求解法求收斂計(jì)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移。

3.1.1 任意三角形測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算方法（3測(cè)點(diǎn)3測(cè)線，如圖1）。計(jì)算假設(shè)：洞壁輪車?yán)染€上的位移為徑向位移，切向位移忽略不計(jì)；基線的角度變化忽略不計(jì)。如圖A、B、C為洞壁上的任意三個(gè)測(cè)點(diǎn)：

圖1 收斂監(jiān)測(cè)斷面計(jì)算示意圖（3測(cè)點(diǎn)3測(cè)線）

圖中：l、m、n ——基線長(zhǎng)度；

Sl、Sm、Sn——分別為l、m、n基線測(cè)得的并經(jīng)溫度修正后的收斂值；

o——洞拱圓心；

H——邊墻高度；

HB——為B點(diǎn)至圓心垂直高度

解下列方程組可求得三測(cè)點(diǎn)垂直洞壁的位移，分別為ua、ub和uc：

當(dāng)B點(diǎn)在頂拱，A、C在同一高程，則α=θ=0，上述方程為：

3.1.2 任意三角形測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算方法（5測(cè)點(diǎn)8測(cè)線，如圖2）。地下洞室圍巖測(cè)點(diǎn)任意三角形布置形式的收斂變形量計(jì)算。為便于計(jì)算，首先進(jìn)行幾項(xiàng)假設(shè)：①測(cè)點(diǎn)5為坐標(biāo)原點(diǎn)，即基準(zhǔn)點(diǎn)不發(fā)生位移；②測(cè)線15水平為X軸，測(cè)點(diǎn)1只發(fā)生水平移動(dòng)；③ 測(cè)線45為Y軸，其偏斜角度忽略不計(jì)。采用固定點(diǎn)任意三角形法。各測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算步驟如下：

圖2 收斂監(jiān)測(cè)斷面計(jì)算示意圖（5測(cè)點(diǎn)8測(cè)線）

在△153中，以知點(diǎn)5（0，0），uly=0,l15,l13，l35

則有：

同上，在△532中，以知點(diǎn)5（0，0），點(diǎn)3（u3x,u3y）,l23,l25，l35

則有：

同上，在△134中，以知點(diǎn)1（u1x，0），點(diǎn)3（u3x,u3y）,l13，l14，l34

則有：

根據(jù)每次測(cè)量的測(cè)線長(zhǎng)度，帶入方程中求得各測(cè)點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)5）的相對(duì)坐標(biāo)；求得的相對(duì)坐標(biāo)減去初始坐標(biāo)計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)位移量，位移量的大小可作為判斷洞室圍巖變形的依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

一般情況下，地下洞室圍巖表面收斂變形－時(shí)間過(guò)程線主要表現(xiàn)為3種形式（如圖3）：逐漸衰減型、直線發(fā)展型和發(fā)散型[4]。

圖3 開挖后洞室圍巖變形分類示意圖

3.2.1 衰減型。隨著時(shí)間的增加，圍巖應(yīng)力重新分布完成，或施工支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力分布的強(qiáng)力介入，圍巖的變形速率越來(lái)越小，直至最終趨于零。這種曲線表明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定的。如圖a所示時(shí)稱曲線，收斂位移隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨向于0，圍巖變位的收斂速度較快，一般在20天左右時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

3.2.2 直線型。圍巖的變形速率基本不變或很少衰減，隨著時(shí)間的推移，圍巖收斂變形越來(lái)越大，圍巖松弛加大，如果不及時(shí)支護(hù)，地下洞室最后可能發(fā)展為破壞性變形，如圖b所示時(shí)程曲線。在施工期觀測(cè)中，應(yīng)對(duì)此類變形重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，變形量達(dá)到一定值時(shí)要預(yù)警；對(duì)此類圍巖及時(shí)支護(hù)，個(gè)別發(fā)生圍巖變形突變的區(qū)域，應(yīng)立即撤出人員與設(shè)備，立即停止施工。

3.2.3 發(fā)散型。圍巖收斂變形隨時(shí)間增加而增大，若不及時(shí)支護(hù)，圍巖可能發(fā)生塌方等破壞性變形，如圖c所示時(shí)程曲線。在地下洞室開挖施工中，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，防止出現(xiàn)此類破壞性變形，在施工監(jiān)測(cè)中，圍巖變形出現(xiàn)此類形式，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提前預(yù)警[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地下洞室開挖中圍巖的穩(wěn)定性控制是一個(gè)突出問(wèn)題，不良地質(zhì)段地下洞室往往面臨著圍巖變形大、變化快、事故突發(fā)等特點(diǎn)，積極開展現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形量測(cè)，及時(shí)了解變形量、變形時(shí)間與規(guī)律具有重要意義。本文探討的是地下洞室圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)、采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為圍巖支護(hù)提供相關(guān)建議，保證隧道工程安全性。