基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大斷面隧道圍巖變形規(guī)律分析

摘要：文章對(duì)新建濟(jì)南至泰安高速公路柳埠隧道大斷面圍巖變形情況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得知大斷面隧道圍巖的變形主要存在于隧道開挖后15 d內(nèi)，隧道開挖后15～30 d圍巖存在一定波動(dòng)，隧道開挖后30 d后變形情況基本穩(wěn)定。研究認(rèn)為：大斷面隧道監(jiān)測(cè)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器和精度要求更高；當(dāng)監(jiān)測(cè)變形有較大值時(shí)或者地質(zhì)條件有突然變化時(shí)應(yīng)縮小監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距，實(shí)時(shí)調(diào)整以滿足變形觀測(cè)要求；剔除異常值，能夠保證已測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，并對(duì)圍巖未來變形趨勢(shì)做出正確可靠的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：圍巖變形；變形監(jiān)測(cè)；隧道安全

中文分類號(hào)：U456.3A481582

0引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，公路及鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模日益增加，隧道作為重要的交通組成部分，以縮短里程效果明顯、對(duì)自然環(huán)境影響小以及可避免滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施中的占比越來越大，特別是在鐵路及公路穿越的山嶺地帶，隧道的優(yōu)勢(shì)更為突出。然而，隨著隧道工程的不斷發(fā)展，隧道建設(shè)的跨度、斷面尺寸也不斷提高，建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題數(shù)量及類型也逐漸增多，隧道建設(shè)工程對(duì)施工安全性的要求也越來越高。因此，為了進(jìn)一步提高隧道施工的安全性，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道的施工及運(yùn)營(yíng)階段得到了廣泛應(yīng)用。通過圍巖變形監(jiān)測(cè)可以在施工及運(yùn)營(yíng)階段實(shí)時(shí)掌握圍巖的變形狀態(tài)，監(jiān)控圍巖大變形等危險(xiǎn)情況的發(fā)生，及時(shí)報(bào)告圍巖出現(xiàn)的異常狀況，為隧道施工安全提供了極大的保障。根據(jù)隧道施工過程中的圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以對(duì)圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析，為隧道施工提供理論依據(jù)［1-2］。

當(dāng)前許多學(xué)者對(duì)圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究。吳潔等［3］對(duì)隧道施工中監(jiān)控量測(cè)工作的目的、方法及測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則進(jìn)行了介紹，并結(jié)合實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析；趙香玲［4］依托實(shí)際隧道工程對(duì)超大斷面隧道加寬段圍巖變形和圍巖壓力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了一系列如優(yōu)化工法、增加施工步以及及早閉環(huán)等控制圍巖變形的措施，并在實(shí)際隧道工程中選取監(jiān)測(cè)斷面布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)圍巖的拱頂沉降和周邊收斂進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，實(shí)現(xiàn)了圍巖變形穩(wěn)定值的初步預(yù)測(cè)，為實(shí)際工程提供了經(jīng)驗(yàn)；陳秀義［5］以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞實(shí)際工程為背景，對(duì)圍巖破裂形式、隧洞拱肩及拱頂變形特征進(jìn)行了研究，并分析了圍巖破裂變形規(guī)律。

1隧道概況

1.1基本情況

新建濟(jì)南至泰安高速公路柳埠隧道左線進(jìn)口里程為ZK15+650，出口里程為ZK16+042，全長(zhǎng)為392 m，最大埋深為73 m；右線進(jìn)口里程為K15+626，出口里程為ZK16+025，全長(zhǎng)為399 m，最大埋深為64 m。隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道高速公路隧道，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。隧道進(jìn)口位于半山坡部位，山坡自然坡度約26.5°，坡面傾向約23°，出口段山坡自然坡度約16.5°，坡面傾向約166°。

1.2施工方案

隧道開挖施工方案常見的有臺(tái)階法、核心土法、CD法等。各種方法適用于不同的圍巖狀況，并與施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全控制緊密相關(guān)。隧道設(shè)計(jì)中隧道明洞段和暗洞段分別采用明挖法和新奧法進(jìn)行施工，并針對(duì)隧道圍巖情況和隧道埋深來選擇開挖方法。柳埠隧道為三車道大斷面隧道?？紤]到隧道斷面尺寸大的特點(diǎn)，隧道長(zhǎng)度比較短，圍巖為Ⅴ、Ⅳ級(jí)，穩(wěn)定性較差，隧道施工開挖全部采用三臺(tái)階法施工。開挖揭露圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，采用臺(tái)階法預(yù)留核心土的方法。柳埠隧道圍巖具體情況為：Ⅴ級(jí)圍巖隧道左線長(zhǎng)287 m，右線長(zhǎng)294 m，共計(jì)581 m，占隧道總長(zhǎng)的73.5%；Ⅳ級(jí)圍巖隧道左線長(zhǎng)105 m，右線長(zhǎng)105 m，共計(jì)210 m，占隧道總長(zhǎng)的26.5%。

2監(jiān)測(cè)設(shè)備及方案

2.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容及工具

柳埠隧道采用新奧法理念設(shè)計(jì)和施工。在隧道施工中開展監(jiān)控量測(cè)工作是新奧法隧道設(shè)計(jì)和施工的重要環(huán)節(jié)和組成部分。通過在施工現(xiàn)場(chǎng)，按照圍巖不同類別和洞口地質(zhì)情況布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，應(yīng)用全站儀、精密水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)等儀器獲得進(jìn)出口地表和圍巖變形的實(shí)際狀況，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)已有的監(jiān)測(cè)結(jié)果按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行判斷，對(duì)未來變形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。這不僅需要一定的分析預(yù)測(cè)理論，同時(shí)需要具有一定精度和可靠性的監(jiān)測(cè)儀器。柳埠隧道是三車道高速公路隧道，從開挖襯砌斷面尺寸來說屬于大斷面隧道，大斷面隧道變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和安全影響更重要。因此，大斷面隧道監(jiān)測(cè)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器和精度要求更高。柳埠隧道位于山東省，氣溫低，尤其是冬季溫度變化對(duì)儀器監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。因此，實(shí)際監(jiān)測(cè)還要考慮溫度變化的影響，配備溫度計(jì)以測(cè)量觀測(cè)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)溫度，便于計(jì)算溫度改正值。根據(jù)柳埠隧道設(shè)計(jì)、施工和地質(zhì)條件等實(shí)際狀況，結(jié)合《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60-2009）的要求，柳埠隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目為洞內(nèi)外觀察、地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂，所用的主要儀器設(shè)備如表1所示。

2.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及觀測(cè)頻率

隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置既要滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)便于觀察測(cè)量，又要保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性。因此，洞內(nèi)洞外布點(diǎn)都要布置在堅(jiān)固穩(wěn)定的地方、施工開挖或施工機(jī)械不易損壞的地方，盡量不被雜物樹木遮擋的地方，避免多次轉(zhuǎn)點(diǎn)或移站。洞口地表沉降測(cè)點(diǎn)在橫斷面方向的開挖范圍以外至少布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在縱面斷面方向至少布置在2.5倍開挖洞徑以外，且縱向布置間距要兼顧地表自然地形，間距不宜太大。洞內(nèi)Ⅳ級(jí)圍巖測(cè)點(diǎn)布置間距為10～20 m，洞內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖測(cè)點(diǎn)布置間距為5～10 m。當(dāng)監(jiān)測(cè)變形有較大值時(shí)或者地質(zhì)條件有突然變化時(shí)應(yīng)縮小監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距，實(shí)時(shí)調(diào)整以滿足變形觀測(cè)要求。柳埠隧道施工方法為三臺(tái)階法，或者三臺(tái)階預(yù)留核心土法。當(dāng)上臺(tái)階施工至Z1K15+955處時(shí)，中臺(tái)階施工至Z1K15+955處，下臺(tái)階施工至Z1K15+878處，二襯防水布掛至Z1K15+736處。柳埠隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，圖1中A點(diǎn)為拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，B、C、D、E為水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)圍巖發(fā)生變化變差或觀測(cè)變形較大時(shí)，根據(jù)審批的實(shí)施方案和有關(guān)規(guī)范規(guī)定在特殊地段還需按實(shí)際情況增設(shè)水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

正常情況下在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)之后盡早獲取初始數(shù)據(jù)。在觀測(cè)初期的1～15 d每天觀測(cè)讀數(shù)一次。隨著變形速率減小，適當(dāng)減小觀測(cè)頻率至每2 d觀測(cè)讀數(shù)一次。當(dāng)變形值趨于穩(wěn)定時(shí)放棄觀測(cè)讀數(shù)。當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，需要復(fù)測(cè)讀數(shù)。當(dāng)觀測(cè)值出現(xiàn)明顯增大時(shí)，加密觀測(cè)讀數(shù)頻率，必要時(shí)觀測(cè)2次/d。

3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，可以了解圍巖目前變形狀態(tài)，并可以根據(jù)圍巖目前變形狀態(tài)結(jié)合有關(guān)變形預(yù)測(cè)曲線預(yù)測(cè)圍巖未來變形趨勢(shì)。因此，在數(shù)據(jù)分析處理過程中，對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)正確處理，發(fā)現(xiàn)異常值，必要時(shí)預(yù)警或剔除異常值非常重要。及時(shí)預(yù)警能夠?yàn)槭┕?、設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)調(diào)整提供必要的依據(jù)。剔除異常值，能夠保證已測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，并對(duì)圍巖未來變形趨勢(shì)做出正確可靠的預(yù)測(cè)。以隧道左線Z1K15+742斷面為例對(duì)其圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。如表2所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道拱頂下沉及周邊收斂數(shù)據(jù)；如圖2所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道拱頂沉降變化曲線；如后頁圖3所示為柳埠隧道Z1K15+742斷面隧道周邊收斂變化曲線。

通過表2和圖2可以看出，隧道拱頂沉降在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道拱頂沉降迅速增加，在非常短的時(shí)間內(nèi)就接近了隧道拱頂沉降的最大值；隧道拱頂沉降在隧道開挖15～30 d處于波動(dòng)階段，在此階段隧道的拱頂沉降會(huì)出現(xiàn)偶爾的回彈情況，隧道拱頂沉降存在一定波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較?。凰淼拦绊敵两翟谒淼篱_挖30 d后處于穩(wěn)定階段，在此階段隧道拱頂沉降變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

通過前頁表2和圖3可以看出，隧道周邊收斂在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道周邊收斂迅速增加，在非常短的時(shí)間內(nèi)就接近了隧道周邊收斂的最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖15～30 d處于波動(dòng)階段，在此階段隧道的周邊收斂會(huì)出現(xiàn)偶爾的回彈情況，隧道周邊收斂存在一定波動(dòng)，波動(dòng)存在一定幅度，且隧道周邊收斂在此階段達(dá)到最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖30 d后處于穩(wěn)定階段，在此階段隧道周邊收斂變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

4結(jié)語

通過對(duì)柳埠隧道典型斷面圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了柳埠隧道大斷面拱頂沉降和圍巖收斂變形規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）隧道拱頂沉降在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道拱頂沉降迅速增加，在非常短的時(shí)間內(nèi)就接近了隧道拱頂沉降的最大值；隧道拱頂沉降在隧道開挖15～30 d處于波動(dòng)階段，在此階段隧道的拱頂沉降會(huì)出現(xiàn)偶爾的回彈情況，隧道拱頂沉降存在一定波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較??；隧道拱頂沉降在隧道開挖30 d后處于穩(wěn)定階段，在此階段隧道拱頂沉降變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）隧道周邊收斂在隧道開挖后15 d處于急劇變化階段，在此階段隧道周邊收斂迅速增加，在非常短的時(shí)間內(nèi)就接近了隧道周邊收斂的最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖15～30 d處于波動(dòng)階段，在此階段隧道的周邊收斂會(huì)出現(xiàn)偶爾的回彈情況，隧道周邊收斂存在一定波動(dòng)，波動(dòng)存在一定幅度，且隧道周邊收斂在此階段達(dá)到最大值；隧道周邊收斂在隧道開挖30 d后處于穩(wěn)定階段，在此階段隧道周邊收斂變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.2022.

［2］劉濤.山區(qū)破碎圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與分析［J］.中國(guó)公路，2022（9）：110-111.

［3］吳潔，雷蕾，李海峰.王家灣隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)與分析實(shí)例研究［J］.北方交通，2022（1）：83-86.

［4］趙香玲.軟弱圍巖隧道變形監(jiān)測(cè)與分析［J］.河南科技，2021，40（6）：119-122.

［5］陳秀義.高地應(yīng)力狀態(tài)下硬質(zhì)碎裂巖隧道變形機(jī)理研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017，61（11）：56-60.

作者簡(jiǎn)介：曾曉天（1995—），助理工程師，主要從事公路技術(shù)服務(wù)工作。