一種新的隧道圍巖穩定性判斷基準的提出和應用

王玉文，李寧軍

（1.廣東省路橋建設發展有限公司 ，廣東 廣州 510623；2.長安大學公路學院，陜西西安 710064）

1 依托工程概況

二廣高速公路連州至懷集段是國家重點公路二連浩特至廣州高速公路在廣東境內一段，路線全長191.7 km，為山區高速公路，地形地質條件復雜，橋梁隧道比例高。全長設特長隧道3座，長隧道3座，短隧道6座，隧道總長18.23 km，設計速度100 km/h、路基寬度26 m；主線鶴塘至終點及懷集支線采用雙向6車道、設計速度100 km/h。該項目主線于2011年開工，目前正在建設當中。

濟源至晉誠段是太原至澳門國家重點公路的其中一段，是河南省路網規劃“三橫”“五縱”“四通道”的重要組成部分。全長20.566 km。線路穿越太行山南麓陡峭山區，以橋隧相接，地形復雜，施工難度大，為河南省高速公路建設之最。全線共設隧道10座，總長8.671 km。設計行車速度80 km/h，雙向4車道。目前該高速公路已經建成通車。

2 一種新的隧道圍巖穩定性判斷新基準的提出

在隧道開挖后支護初期，如何在復雜多變的地質、工程結構和施工條件下，根據現場的變形量測預報施工過程中圍巖穩定位移與突發失穩時間，及時有效地判別圍巖-支護系統的穩定性具有重要意義。在濟晉高速和二廣高速連懷段的隧道的監控量測中，根據具體實踐經驗，提出了把位移速率du/dt的大小作為濟晉高速和二廣高速圍巖穩定性的重要判據，同時不孤立地看待位移監測結果，充分利用一切能利用的地質和支護信息，提出使用位移變化率和地質與支護信息相結合來判斷圍巖穩定性和指導施工的方法，而沒有使用傳統利用圍巖總位移量相對允許最大位移的大小來判斷圍巖穩定性的準則。主要是基于以下幾個方面的考慮：

（1）實際量測中，由于施工等種種原因使圍巖位移量測的損失難以避免，很難準確得到相應的總位移值。

（2）如果用回歸分析等手段預計總位移值，需要監測相當一段時間后才能預測，對支護早期穩定性的判斷意義不大。

（3）在具體工程實際中，允許最大位移值很難精確確定。

（4）位移速率能反映短時間內圍巖的動態變化。圍巖地質和支護情況觀察是隧道監控量測的重要組成部分。地質因素是影響圍巖穩定性的最主要因素。地質因素對周邊位移監測值的影響是基本的和多方面的地質信息對判斷圍巖穩定性有重要意義，而這一點往往被忽視。

3 新的隧道圍巖穩定性判斷新基準的應用

3.1 變更圍巖類別

在隧道圍巖變更中，根據對隧道周邊位移量測數據的分析并結合隧道圍巖與開挖工作面巖性特征，以及水文地質狀況，圍巖的周邊位移變化率很小的地段，對地質條件、水文地質狀況好的巖層，適當降低圍巖級別，降低初期支護結構的參數，減少支護費用，節約了投資，提高了施工進度。同樣，在預設計中也會存在有些地段對圍巖類別評估不足的現象，對圍巖預估偏高的地段，在施工過程中可適當降低圍巖類別，加強支護。雖然這樣做會增加投資，但確保了工程質量，保障了安全，也是十分必要的。

國內絕大多數隧道圍巖類別的變更，大都是低級別的弱支護變更到高級別的強支護變更，從而造成投資大大增加。而在濟晉高速的圍巖變更中，98%的變更都是由高級別向低級別變更。濟晉高速公路10座隧道左、右線全長共計8721 m，在隧道施工過程中，通過圍巖的周邊位移量測信息和地質信息，發現好多地段原設計對圍巖級別的預估偏高。通過包括監測單位在內的幾方單位協商，本著實事求是的原則，這些地段都恰當地降低了圍巖類別，大大減弱的支護強度，共由高級別圍巖向低級別變更的長度達3544 m，占隧道總長度的41%，共節約資金約6000萬元。而由低級別向高級別變更的不足總變更量的2%。

下面列舉一個利用周邊位移量測和地質信息對濟晉高速隧道的圍巖變更的典型斷面位移量測曲線（見圖1）。該斷面位于仙神河隧道右線ZK1+275，原設計為為Ⅳ級圍巖，根據監測信息變更為了Ⅲ級圍巖。由圖1可知，改變支護后周邊收斂和拱頂下沉值都比較小，且向穩定的方向發展，15 d以后就已經穩定，這證明變更正確。于是把該段面以后的與該段面相似的40 m，全部由為Ⅳ級圍巖變為Ⅲ級圍巖，位移量測和地質觀測結果表明，變更是完全正確的。

圖1 Ⅳ級圍巖變更為Ⅲ級圍巖的典型斷面周邊位移曲線圖

3.2 修改施工方法

濟晉高速和二廣高速連懷段隧道施工的周邊位移的監測數據表明，根據周邊位移量測信息和地質信息，對地質條件、水文地質狀況好的巖層、圍巖的周邊位移很小的地段，可以將原施工方法變更為更簡單、更節約的施工方法，比如分部開挖變為臺階法開挖，臺階法開挖變為全斷面開挖。

下面結合二廣高速竹蓋山隧道隧道典型斷面，對濟晉高速隧道的開挖方式的修改進行分析。圖2為竹蓋山隧道進洞不久為同地質情況的圍巖的兩個典型斷面的全斷面和臺階法開挖周邊累計收斂對比曲線圖。通過對全斷面開挖和臺階法開挖法典型周邊位移變形的比較，結合該隧道比較穩定的地質情況，將該隧道Ⅳ級圍巖的施工方法由臺階法開挖，變更為全斷面開挖。開挖以后通過量測數據均在正常范圍以內，沒有出現任何異常情況，證明變更合理。

3.3 對鳳凰臺二號隧道塌方的預報

塌方是指圍巖失穩而造成的突發性坍塌、堆塌、崩塌等破壞性地質災害，常發生于斷層破碎帶、膨脹巖(土)第四系松散巖層，不整合接觸面，侵入巖接觸帶及巖體結構面不利組合地段，它是隧道施工中最常見的災害現象之一。塌方不僅嚴重危及施工人員安全，而且往往極大地影響施工進度。

圖2 二廣高速連懷段竹蓋山隧道同種圍巖全斷面和臺階法開挖周邊位移曲線圖

塌方在產生以前往往具有一些征兆，如隧道支護結構變化過大或出現明顯的受力裂縫且不斷發展，另外一個重要的方面就是，周邊位移時態曲線長時間沒有變緩的趨勢，即由量測獲得位移一時間曲線各時刻位移速率，以及位移加速度的變化趨勢對隧道的穩定性加以分析，如果圍巖變形位移時態曲線出現圖3所示情況，位移增長率突變等反常現象，位移變化率和位移值超過允許的范圍而仍無停止趨勢，則就有產生塌方的跡象。圖4為洞口塌方實景。因為這些征兆的出現，可以通過施工中的周邊位移量測和地質觀測等方法對塌方來進行有效的預測預報（見圖5、圖6），從而大大降低隧道施工中的風險，保證隧道的施工安全。

圖3 位移速率曲線的反彎現象圖

圖4 洞口塌方情況實景

圖5 塌方前22 h觀察到的支護裂縫實景

圖6 塌方前7 h觀察到的支護裂縫實景

需要強調的是，位移監測的結果要與地質監測，如地下水、裂隙、地應力等監測結果結合運用，不能孤立地看待位移監測結果，才能更好地進行預測預報。

在鳳凰臺2#隧道左線進口施工過程中，監測組在第一時間監測到鳳凰臺2#出口段隧道圍巖位移的反常動態變化，對發生的塌方及時進行了準確報警，在塌方出現之前及時通知施工、監理和業主單位，避免了人員的傷亡和設備的損害。

鳳凰臺2#隧道出口段圍巖較為破碎，為強～弱風化頁巖，節理和裂隙發育，開挖后地質觀測發現在出口段的左側存在較大的貫通節理。圖7為鳳凰臺2#隧道進口處塌方段的一個斷面的測試圖。此測試斷面位于鳳凰臺2#隧道左線K3+690，從圖7可以看出，圍巖在上臺階剛開挖后的幾天變形速率較大，隨著時間的延長變形速率逐漸減小，向穩定的方向發展，第10 d下臺階開挖，收斂速率又有明顯加大，接下來幾天位移速率又迅速減小，前20 d與該隧道的其它正常典型斷面圍巖位移的變化比較一致，沒有發現異常變化。到了第21天，該斷面拱頂變形出現一點增大的跡象，但是變化值不大，量測組增加了量測的頻率，而后四次量測，發現周邊收斂速率日漸增大，而且拱頂下沉速率值更大，對此，發出了警報，停止該段正在進行的施工，繼續加強觀測，第24天上午，圍巖的周邊收斂率和拱頂下沉率成倍增長，圍巖變形曲線出現了較大的反彎點，遠超過該級圍巖變形的正常范圍，通過地質和支護情況觀測，K0+690左右有三榀鋼拱架右側出現了約3～5 m不等的環向裂縫，局部有混凝土脫落的現象，裂縫有隨時間進一步發展的趨勢，如圖5和圖6所示。根據圍巖位移速率和圍巖、支護觀測情況，立即發出塌方預報，施工單位在第一時間撤出所有施工人員和設備，第24天晚上該段就發生了約25延米的冒頂塌方。

圖7 鳳凰臺2#隧道左線塌方段K3+690斷面周邊位移量測曲線圖

4 結語

在濟晉高速和二廣高速隧道群中，開展的周邊位移量測研究成果，為濟晉高速和二廣高速連懷段隧道修改施工方法、調整圍巖級別、變更支護設計參數提供了科學依據，掌握了施工階段地層與支護結構的動態變化，對出現的塌方和險情進行了準確的預報。節約了投資，保證了施工安全，創造了較好的經濟效益和社會效益，具有一定的應用推廣價值。

[1]JTGF60—2009,公路隧道施工技術規范[S].

[2]王玉文，公路隧道周邊位移監測及其應用研究[D].西安:長安大學,2007.

[3]聶玉文，金文良，王玉文，等.二廣高速公路連山段兩階段隧道施工圖設計[R].廣州：廣東省公路勘察規劃設計院,2010.

[4]李寧軍，王玉文，王亞瓊，等.濟晉高速公路隧道監控量測總報告[R].西安:長安大學,2008.