騾坪隧道施工圍巖變形監測與分析

李章樹，張金鳳

(1.西華大學 建工學院，成都 610039;2.郫縣水務局，四川 郫縣 611730)

巫奉高速公路騾坪隧道為上、下行分離的四車道高速公路特長隧道，全長4.5 km，騾坪隧道出口端位于重慶市巫山縣騾坪鎮風嶺村，范圍為左線 ZK7+127.283—ZK9+292(全長2 164.717 m)，右線 YK7+150—YK9+335(全長2 185 m)，最大埋深約435 m，屬于特長隧道。主要穿越圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，節理裂隙發育，地下水比較豐富。因此，為了充分發揮圍巖的自承能力，在經濟合理的支護條件下保證圍巖的安全，需要在該隧道施工中實施現場監控量測，以根據量測結果分析調整設計參數，實現工程的動態化設計和信息化施工。監控工作及其監控量測結果的及時反饋就成為衡量設計、施工是否合理的一項重要工作[1]，通過施工監控量測可以進行信息及時反饋和預測預報，優化設計，指導現場施工，確保隧道施工安全與質量，提高工程的社會、經濟與環境效益。

1 監測的目的

1)通過施工現場監測掌握圍巖和支護結構在施工過程中的力學動態及穩定程度，為評價和修改初期支護參數、力學分析及二次襯砌施作時間提供信息依據;通過信息反饋及預測預報來優化施工組織設計，指導現場施工，確保隧道施工的安全與質量和工程項目的社會、經濟和環境效益。

2)為科研項目提供第一手的信息，為節省工程投資，提高淺埋大跨城市交通隧道的修建水平提供科學依據和技術保證，積累資料，為今后的設計提供類比依據等。

2 監測項目與測點設置

量測隧道斷面的收斂情況，包括量測拱頂下沉、周邊位移［2-4］以及底板鼓起。

隧道收斂位移量測是最基本的主要量測項目之一，各測點在避免爆破作業破壞測點的前提下，盡可能靠近工作面埋設，一般為距工作面0.5～2.0 m，并在下一次爆破循環前獲得初始讀數。初讀數在開挖后2 h內讀取，最遲不超過24 h，而且在下一循環開挖前，完成初期變形值的讀數。

拱頂下沉量測是在各隧道開挖毛洞的拱頂及軸線左右各2 m處酌情布設1～3個帶掛鉤的錨樁(見圖1、圖2)，測樁埋設深度30 cm，鉆孔直徑 φ42 cm，用快凝水泥或早強錨固劑固定，測樁頭需設保護罩。通過一個測量相對基準點，用水準儀、垂向長鋼卷尺等來量測拱頂下沉。

圖1 必測項目監控量測斷面布置示意

圖2 必測項目監控量測斷面布置示意

拱頂下沉和水平收斂量測斷面的間距為:Ⅲ級以下圍巖不大于40 m;Ⅳ級圍巖不大于30 m;Ⅴ級圍巖應<20 m。圍巖變化處適當加密，在各級圍巖的起始地段增設拱頂下沉測點1～3個，水平收斂1～2對。當發生較大涌水時，Ⅳ、Ⅴ類圍巖量測斷面的間距應縮小至5～10 m。

3 監測數據處理

1)周邊位移:

數據處理公式:Ut=L0－Lt+Xt1－Xt0式中 Ut—— t時刻的周邊收斂值;

L0——收斂尺的初始讀數;

Lt——收斂尺t時刻的讀數;

Xt1——t時刻溫度修正值;

Xt0——初始時刻溫度的修正值。

拱頂下沉:Δ h =ht－h0

式中 Δh——t時刻的拱頂下沉量;

ht——t時刻收斂尺的讀數;

h0——收斂尺的初始讀數。

2)數據應用

①隧道周壁任意點的實測相對位移值或用回歸分析推算的總相對位移值均應小于表1[5]所列數值，否則應進行支護參數的修正。②根據量測結果進行綜合判斷，確定變形管理等級，據以指導施工。變形管理等級見表2[5]。③當位移—時間曲線出現反彎點時，則表明圍巖和支護已呈不穩定狀態，此時應密切監視圍巖動態，并加強支護，必要時暫停開挖。

表1 初期支護極限相對位移 %

表2 圍巖變形管理等級

4 騾坪隧道圍巖變形監測與分析

在隧道的開挖過程中，隨著開挖面的向前推進和時間的推移，隧道圍巖變形不斷發展，這就是通常所說的圍巖變形特征。對這一效應的研究，有助于掌握圍巖的變形特征，確定二次襯砌的合理施作時間，從而配合和指導施工實踐。本節結合騾坪隧道的監控量測資料，對圍巖變形位移—時間特征進行分析、總結，以期找出其中的一些變形特征和規律，為以后的相關研究提供參考。

根據騾坪隧道的監控量測資料對圍巖變形位移—時間曲線進行了總結，迄今對騾坪隧道拱頂下沉和周邊水平收斂的圍巖變形監測結果表明:Ⅳ級、Ⅴ級圍巖一般埋點后經歷一個月左右的時間后，圍巖測點變形基本上就會趨于穩定。因此，以下各必測項目監測斷面的分析內容主要側重于埋點后經歷一個月左右時間的監測結果。騾坪隧道圍巖變形位移—時間特征曲線主要有以下4種類型:“拋物線”型、“廠”型、“似根號”型、“S”型。

1)“拋物線”型(如圖3所示):這種類型曲線在變形趨穩前大致可分為2個階段:①快速增長階段:持續時間為7 d左右，平均變化速率為0.12 mm/d;②緩慢增長～趨穩階段:持續時間為15 d左右，平均變化速率為0.015 mm/d。這種類型曲線的特征是:隧道圍巖變形速率在開挖后初期較快，隨著時間的推移和掌子面的推進，圍巖變形速率逐漸減小直至變形穩定。

圖3 ZK9+260斷面周邊收斂下測線變化曲線

圖4 ZK9+220斷面周邊收斂下測線變化曲線

2)“廠”型(如圖4所示):這種類型的曲線在變形趨穩前大致可分為2個階段:①快速增長階段:持續時間為1～7 d，平均變化速率為0.30～3.55 mm/d;②趨穩階段(有時為緩慢增長～趨穩階段):這一階段的平均變化速率均<0.20 mm/d。這一類型曲線的特征:掌子面的開挖致使前期的圍巖變形速率較快，一段時間后隧道的圍巖變形很快趨于穩定。

3)“似根號”型(如圖5所示):這種類型的曲線在變形趨穩前大致可劃分為4個階段(以YK9+205斷面拱頂下沉中間測點變化曲線為例):①快速增長階段:持續時間為1 d左右，其平均變化率一般為1.80 mm/d;②快速回落階段:持續時間為1 d左右，平均變化率一般為－1.33 mm/d;③快速增長階段:持續時間18 d左右，平均變化率一般為1.40 mm/d;④緩慢增長～趨穩階段:持續時間4 d，平均變化率一般為0.15 mm/d。這一類型曲線的特征是:開始時圍巖變形速率較快，隨后變形量快速回落且圍巖變形速率出現負值，然后變形量重新增大圍巖變形速率較快，最后隨著時間的推移圍巖變形逐漸減慢并趨向穩定。

4)“S”型(如圖6所示):這種類型曲線較少，以YK9+258斷面為例:①快速增長階段:持續時間為4 d左右，平均變化率為0.18 mm/d;②緩慢增長階段:持續時間為7 d左右，平均變化速率小于0.20 mm/d;③快速增長階段:持續時間8 d左右，平均變化速率一般為0.30 mm/d左右;④緩慢增長 ～趨穩階段:持續時間10 d左右，平均變化速率小于0.20 mm/d。這一類型曲線的特征是:在剛開始時圍巖變形速率較快，接著幾天圍巖變形速率緩慢，然后是快速增長階段，最后，隨著時間的推移圍巖變形速率逐漸減小，圍巖變形趨于穩定。

圖5 YK9+205斷面周邊收斂變化曲線

圖6 YK9+258斷面周邊收斂變化曲線

根據監測數據統計結果的情況來看:“廠”型最普遍，其次是“拋物線”型，“似根號”型和“S”型較少，僅在個別特殊的斷面出現。

5 結語

結合騾坪隧道工程實際，從現場監控量測資料入手，對典型公路隧道的圍巖變形特性與穩定性進行了一定的分析和研究，得到以下主要結論:

1)騾坪隧道開挖過程中圍巖變形受時空效應的影響，隧道各臺階圍巖變形(不計其它臺階開挖對它的影響)基本上呈拋物線型。隧道全斷面開挖后10～20 d或距其開挖面一倍到兩倍洞徑處，位移釋放率通常能達到80%以上，開挖后30 d或距其開挖面三倍到四倍洞徑處，位移釋放率絕大多數達到近100%。

2)騾坪隧道圍巖變形位移—時間特征曲線主要有4種類型:“拋物線”型、“廠”型、“S”型、“似根號”型。

3)從騾坪隧道圍巖變形速率來看，隧道開挖后20～50 d內周邊收斂和拱頂下沉位移釋放率和變形速率都達到了規范的要求，可以施作二次襯砌。

4)騾坪隧道圍巖變形監測量均不大，而且基本在30 d內趨于穩定，設計采用支護參數以及施工中采用的上下臺階法施工能夠保證施工安全進行，并且有較高的安全度。

隧道圍巖變形主要受圍巖級別、巖體結構狀態、地應力、巖體力學性質、埋深、工程因素等多方面因素的綜合影響，另外，地下水分布、淺表生構造等因素也會影響隧道圍巖變形。所以，在很好地了解隧道圍巖變形特征及規律的同時，必須綜合考慮各方面的影響因素，才能有效地指導隧道的正常施工。

[1] 王建宇.隧道工程監測和信息化設計原理［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.

[2] 中華人民共和國交通部.JTJ042—2004 公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

[3] 李曉紅.隧道新奧法及其量測技術［M］.北京:科學出版社，2002.

[4] 孫明磊，朱正國，劉志春.客運專線超長斷面隧道現場監測分析研究［J］.鐵道建筑，2009(10):57-59.

[5] 中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.