基于現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形特性分析及支護措施研究

摘要：以胡林家隧道為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法對隧道圍巖變形特性進行了深入研究，并據(jù)此提出了相應(yīng)的支護措施，確保隧道安全、穩(wěn)定、正常運行。研究結(jié)果表明：在時間特性方面，拱頂沉降呈現(xiàn)出急劇沉降、緩慢沉降和沉降趨于穩(wěn)定的3個階段，急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%。取3個不同斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大。周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3。埋深和變形之間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，這是由于地應(yīng)力的影響，致使埋深對變形的影響不夠明顯。采取初期支護和超前支護結(jié)合的措施后，3個斷面的拱頂沉降、周邊收斂量相比支護前分別減小了一半以上，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場監(jiān)測；拱頂下沉；周邊收斂；圍巖變形特性；支護措施

0" "引言

在當今的地下工程領(lǐng)域，隧道工程作為一種重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施[1]，其建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度不斷增加。然而，隧道施工過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中圍巖變形問題是影響隧道施工安全和長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。

現(xiàn)場監(jiān)測作為研究圍巖變形特性的重要手段，能夠直接獲取圍巖在施工過程中的實際變形數(shù)據(jù)，真實反映圍巖的力學行為和變形規(guī)律[2]。同時，也能夠?qū)λ淼乐ёo措施的合理性和有效性進行評估，并為支護方案的優(yōu)化提供科學指導，從而確保隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定和施工安全。

目前，很多國內(nèi)外學者針對圍巖變形特性進行了大量研究工作。他們通過理論分析建立了各種圍巖力學模型，利用數(shù)值模擬方法研究不同工況下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布和變形規(guī)律，以預(yù)測圍巖變形[3]。其中齊震明等[4]探討了圍巖變形與隧道埋深、地址情況、開挖方式的關(guān)系。

由于隧道工程的復(fù)雜性和地質(zhì)條件的多樣性，上述研究中，理論分析和數(shù)值模擬往往難以完全準確地描述實際工程中的圍巖變形情況，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要性愈發(fā)凸顯?；诖?，本文以胡林家隧道為研究背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對隧道施工過程中圍巖的變形特性進行系統(tǒng)分析。

1" "工程概況

擬建胡林家隧道位于臨夏回族自治州積石山縣寨子溝鄉(xiāng)陽洼山村至胡林家鄉(xiāng)胡家坡，線路采用分離式隧道通過。左幅設(shè)計起點里程樁號為ZK26+026m，設(shè)計終點里程樁號為ZK26+937.244m，隧道全長911.244m，最大埋深約為159m。右幅設(shè)計起點里程樁號為YK26+015m，設(shè)計起點洞底高程2333.52m，設(shè)計終點里程樁號為YK26+915m，設(shè)計終點洞底高程2249.76m，隧道全長900m，最大埋深約為153m。設(shè)計凈空寬度為10.25m，高度為5.0m。進出口采用削竹式洞門，采用機械通風、燈光照明。

本合同段施工的胡林家隧道進口右洞長900m，左洞長911.244m，全部為Ⅴ級圍巖。右線洞門10m，明洞10m；左線洞門10m，明洞15m。車行橫洞1處，人行橫洞1處。本工程洞身開挖采用的方法有CD法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和臺階法等3種，初期支護段為V級圍巖。

2" "現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.1" "監(jiān)測項目

監(jiān)測項目主要涵蓋隧道拱頂下沉與周邊收斂這2個方面。

2.1.1" "拱頂下沉監(jiān)測

拱頂下沉監(jiān)測前，需在隧道拱頂部位用風槍打眼埋設(shè)固定桿，并在外露桿頭布設(shè)掛鉤，將其作為拱頂下沉測點。測點應(yīng)布置在拱頂軸線附近，當隧道跨度較大時，應(yīng)結(jié)合施工方法在拱部增設(shè)測點。測點布置時應(yīng)避開鋼架和脫空回填處，并盡量將測點布置在兩榀鋼架之間。

最后讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)對測試讀數(shù)3次取平均值，以減小誤差造成的錯誤結(jié)果。每次測量得到的拱頂測點高程與前一次測量的高程差，即為該時間段內(nèi)的拱頂下沉值。

2.1.2" "周邊收斂監(jiān)測

對于周邊收斂，噴錨支護施作后，即可用開鑿機械在隧道邊墻開洞。通常利用水泥砂漿將監(jiān)測點固定桿進行固定。為了提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，同一個基線上的固定桿，要保持在同一直線上。圍巖收斂值可以用隧道凈空變化測定儀進行量測，精度為0.1mm。通過測量隧道周邊兩點之間的距離變化，即可了解圍巖的收斂情況。

可以使用全站儀這種非接觸式測量，通過測量隧道內(nèi)壁特定點的三維坐標，計算出不同時間點同一基線兩測點間的水平距離變化，進而得到水平收斂情況。在使用全站儀時，需先進行測站設(shè)置，包括對中、整平、定向等操作，然后照準測點進行測量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2" "監(jiān)測斷面及測點布置

本隧道的圍巖級別全長均為Ⅴ級，監(jiān)測斷面每隔8m設(shè)置一個，用于監(jiān)測其拱頂沉降和周邊水平方向的收斂值。對于每一個選用的監(jiān)測斷面，在隧道中心線拱頂位置設(shè)置一個監(jiān)測點，周邊水平方向的監(jiān)測點布置在隧道兩側(cè)邊墻和拱腰的部位上?？偣?個控制基線，每條基線上2個監(jiān)測點，對應(yīng)的監(jiān)測點在同一水平線上。監(jiān)測點布置示意圖如1所示。

2.3" "監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

每次監(jiān)測完畢后，需及時且準確地記錄原始數(shù)據(jù)，并對其開展初步整理工作。初步整理工作涵蓋數(shù)據(jù)的校對、計算以及繪圖等?；谝陨蠑?shù)據(jù)，可繪制出時間-位移變化曲線、位移速度-時間變化曲線。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，探尋數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與發(fā)展趨向，以此預(yù)測圍巖變形的最大值以及穩(wěn)定時間。同時，依據(jù)數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果，評判圍巖的穩(wěn)定性與支護結(jié)構(gòu)的可靠性。若察覺數(shù)據(jù)存在異?；虺鼍渲?，必須及時采取對應(yīng)的處理辦法。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果，適時調(diào)整施工方法、支護參數(shù)等，以保障施工安全與工程質(zhì)量。

3" "監(jiān)測結(jié)果及變形特性分析

3.1" "拱頂變形監(jiān)測結(jié)果

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)多，處理復(fù)雜，本文選取3個不同大小的斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，斷面從大到小依次記為斷面1、斷面2和斷面3，用來探討圍巖變形特性，拱頂沉降隨時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，斷面1的沉降量最大值為34.7mm，且圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大，斷面3的沉降量最小，沉降最大值為26.3mm。

拱頂沉降呈現(xiàn)出3個階段，第一階段為拱頂急劇沉降，斷面1迅速增加到30.2mm，在10d后沉降速率顯著降低，呈緩慢沉降趨勢，最后第三階段沉降趨于穩(wěn)定，斷面1沉降量增加到最大值34.7mm。急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%，第二、第三階段沉降量占總沉降量的17.9%。

3.2" "圍巖周邊收斂監(jiān)測結(jié)果

隧道周邊收斂隨時間的變化曲線圖如圖3所示。由圖3可知，周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似。在開挖初期，周邊收斂也會快速變化。隨著時間推移，收斂速率逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。同樣，隧道周邊收斂隨著斷面的增大而增大，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3，分別為26.7mm、23.5mm和19.2mm。

3.3" "圍巖拱頂變形與埋深的關(guān)系

本項目隧道最大埋深約為153m，所布置監(jiān)測點的深度相差很大，從監(jiān)測數(shù)據(jù)即可以直觀的看到埋深與拱頂位移的關(guān)系。拱頂位移與埋深的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，變形數(shù)據(jù)隨埋深的分布較為離散，埋深和變形之間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。在埋深從小到大的過程中，各種不同大小的變形值均有分布，并未出現(xiàn)變形值隨埋深增大而明顯增大的情況。

分析認為，一般情況下，隧道埋深越大，地應(yīng)力水平越高。在隧道施工過程中，考慮到地應(yīng)力的影響，在施工工藝、輔助工法以及支護時機的選擇等方面做出相應(yīng)調(diào)整，為此埋深對變形的影響不夠明顯。

3.4" "圍巖變形特性分析

在時間效應(yīng)特性方面，隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布。在初期階段，變形速率往往較大，隨后逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。比如一些軟巖隧道，開挖后的前幾天到幾周內(nèi)，變形量增長迅速，之后增長速度放慢，直至穩(wěn)定在某一較小的速率。

在空間特性方面，一般情況下，隧道拱頂?shù)淖冃蜗鄬^大，而周邊部位的變形相對小。這是因為拱頂部位在開挖后應(yīng)力集中程度更高，更容易產(chǎn)生變形，為此在實際的隧道工程監(jiān)測中，經(jīng)常會出現(xiàn)拱頂下沉數(shù)值大于邊墻收斂數(shù)值扥情況。在空間特性方面，由于地應(yīng)力的影響，埋深和變形之間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。

4" "支護措施分析

圍巖變形可能會破壞地下水的原有徑流通道和平衡狀態(tài)，導致出現(xiàn)地下水的滲漏、涌出等情況，進而影響周邊地區(qū)的水文地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境，為此對圍巖變形進行控制尤為重要，它是保證隧道安全、穩(wěn)定、正常運行的必要措施。本文在隧道開挖初期采用錨桿支護，在隧道周圍巖土體中鉆孔植入高強度鋼質(zhì)桿件，然后進行張拉固定，提供抗拉力，增強巖土體穩(wěn)定性和承載能力，最后再噴射混凝土加強支護。

同樣采取支護措施后，根據(jù)施工段斷面的大小，依次取3個斷面進行拱頂沉降和周邊收斂變形的監(jiān)測。支護后圍巖變形情況如圖5所示。

從圖5可以看出，采取支護措施后，圍巖不同位置沉降依然跟斷面大小呈正比。3個斷面的拱頂沉降量相比支護前分別減小了17.1mm、16.1mm和15.1mm，周邊收斂量相比支護前分別減小了13.5m、12.4mm和9.4mm。由此可見，采取支護措施后，隧道頂部和周邊水平收斂降低了一半以上，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

5" "結(jié)束語

本文以胡林家隧道為例，通過在隧道圍巖關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測點，獲取長期、連續(xù)的變形數(shù)據(jù)，深入探討了圍巖變形與時間、埋深之間的關(guān)系，并提出了初期支護和超前支護結(jié)合的治理措施。得到如下研究結(jié)果：

在時間特性方面，拱頂沉降呈現(xiàn)出急劇沉降、緩慢沉降和沉降趨于穩(wěn)定的3個階段，急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%。取3個不同斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大。周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3。埋深和變形之間不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，這是由于地應(yīng)力的影響，致使埋深對變形的影響不夠明顯。采取初期支護和超前支護結(jié)合的措施后，3個斷面的拱頂沉降量相比支護前分別減小了17.1mm、16.1mm和15.1mm，周邊收斂量相比支護前分別減小了13.5mm、12.4mm和9.4mm。由此可見，采取支護措施后，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

參考文獻

[1] 周孝華.隧道掘進施工突發(fā)巖爆施工技術(shù)研究[J].低碳世界，2024，14（11）：144-146.

[2] 鄭禮永.高傾角節(jié)理段隧道圍巖壓力監(jiān)測及超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用研究[J].福建建材，2024（5）：26-29.

[3] 劉東東，魏立新，楊春山，等.高放廢物處置庫圍巖熱力響應(yīng)的半解析模型與時空分布特征研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2024，61（S1）：613-623.

[4] 齊震明，李鵬飛.地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標準[J].北京交通大學學報，2010（3）：117-121.