隧洞施工階段的圍巖變形監(jiān)控量測

孫立公

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006)

隧洞施工階段的圍巖變形監(jiān)控量測

孫立公

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006)

隧洞開挖后，圍巖在應力的作用下，會產生一定量的洞室收斂、頂拱沉降等塑性變形，特別是在巖體破碎的洞室內，該種變形會造成圍巖失穩(wěn)，從而產生掉塊或塌方等現(xiàn)象，給施工設備和人員帶來安全隱患。文章結合工程實例，簡要闡述了施工階段圍巖變形監(jiān)控量測的目的、內容、方法以及數(shù)據處理與應用，簡要闡明了圍巖變形監(jiān)控量測在隧洞施工和設計中的作用。

隧洞施工；圍巖變形；監(jiān)控量測；處理與應用

0 引 言

隧洞開挖后，圍巖在應力的作用下，會產生一定量的洞室收斂、頂拱沉降等塑性變形，特別是在巖體破碎的洞室內，該種變形會造成圍巖失穩(wěn)，從而產生掉塊或塌方等現(xiàn)象，給施工設備和人員帶來安全隱患。

為了避免事故的發(fā)生，洞室開挖后應立即施作初期支護，隨即開展圍巖變形監(jiān)控量測工作，根據監(jiān)測結果確定圍巖穩(wěn)定情況，從而確定是否進行二次支護以及二次支護的實施時間和程序。

1 監(jiān)控量測的目的

開展圍巖變形監(jiān)控量測工作是噴錨支護設計和施工的重要環(huán)節(jié)，通常依據監(jiān)控量測結果驗證施工方案的正確性，調整施工參數(shù)，必要時采取輔助工程措施，使施工處于動態(tài)管理之下；通過監(jiān)測數(shù)據與理論上的工程特性指標進行比較，了解設計的合理程度，有助于對工程設計進行修正；因地下圍巖結構復雜多變，結構設計荷載常常不能確定，而且荷載與支護結構變形、施工工藝有直接關系，圍巖變形監(jiān)控量測可以為支護結構設計和施工方案的修訂提供反饋信息，驗證支護結構設計；通過監(jiān)控量測了解該工程條件下地下工程的規(guī)律和特點，為其他類似工程提供借鑒、依據和指導[1]。

2 監(jiān)控量測的內容與方法

2.1 監(jiān)控量測的內容

實施監(jiān)控量測的隧洞必須進行地質和支護狀況觀察、周邊位移和頂拱沉降量測。主要包含了3個方面：

1)地質觀察應包括：洞外的地表情況、地表沉陷、邊坡及仰坡的穩(wěn)定及地表水滲透情況的觀察；洞內對隧洞掌子面開挖后進行工程地質與水文地質觀察。

2)支護狀況觀察包括檢查噴射混凝土有無裂損及發(fā)展、錨桿有無松動及拱架支護狀態(tài)觀察等。

3)進行洞室水平收斂位移量測和頂拱沉降量測，必要時還應進行底板鼓起量測和地表下沉監(jiān)測。

2.2 監(jiān)控量測的方法

監(jiān)控量測斷面應安排在工程的關鍵部位或圍巖穩(wěn)定較差的部位，緊跟掌子面進行布置。每個量測斷面的測點應安設在距掌子面1 m范圍內，數(shù)量一般情況下為5點，但不得<3點，應在開挖后立即埋設，測點應牢固，做好保護，防止人為、機械或開挖飛石碰動[2]。

量測收斂值的儀器精度≥0.01 mm，正式使用前應經過計量部門檢定，并經過試驗室校正。在測點布置后12 h內和下一次開挖之前測取初讀數(shù)，及時準確填寫監(jiān)控量測記錄表，保留原始數(shù)據，各測點讀數(shù)間隔時間應根據該量測數(shù)據的穩(wěn)定程度進行確定和調整。

3 監(jiān)控量測數(shù)據的處理與應用

3.1 數(shù)據處理

監(jiān)控量測所得的原始數(shù)據應及時繪制成時態(tài)曲線(例如位移時間曲線)，當曲線的曲率趨于平緩時，應對數(shù)據進行回歸分析或其他數(shù)學方法分析，以推算出最終位移值，確定位移變化規(guī)律。

3.2 數(shù)據應用

數(shù)據應用分為圍巖穩(wěn)定情況分析和二次支護時機控制。

3.2.1 圍巖穩(wěn)定情況分析

監(jiān)控量測的實測位移相對值或用回歸分析推算的最終位移值均應小于表1所列的數(shù)據值。

表1 隧洞周邊允許位移相對值 %

注：1.周邊位移相對值系指兩測點間實測位移累計值與兩測點間距離之比或拱頂下沉實測值與高度之比。兩測點間位移值也稱收斂值；2.脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值；3.表列數(shù)值可在施工過程中通過實測和資料累積作適當修正。

當圍巖位移速率不斷下降時，初期支護措施無破壞現(xiàn)象，表示圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當圍巖位移速率無明顯下降或急劇增長，同時初期支護措施出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時，表示圍巖不穩(wěn)定，必須立即采取補強措施，并改變施工程序或設計參數(shù)，必要時應停止開挖，進行施工處理[3]。

3.2.2 二次支護時機控制

需進行二次支護的隧洞應同時達到下列三項標準時方可進行后期支護的施作：

1)隧洞周邊水平收斂速度<0.2 mm/d，拱頂或底板垂直位移速度<0.1 mm/d。

2)隧洞周邊水平位移速度以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

3)隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。

4 工程實例

4.1 監(jiān)控量測工作概況

某工程隧洞斷面為圓拱直墻型，開挖斷面尺寸為7.9 m×7.15 m(寬×高)，圓弧高2.5 m，直墻高3.5 m。該工程按照技術條款規(guī)定的要求，Ⅳ、Ⅴ類圍巖監(jiān)控量測按每20 m布置一個觀測斷面，Ⅲ類圍巖按30 m布置，采用三點三線法，如圖1所示位置布置測點。

測點接環(huán)采用Φ6光圓鋼筋，測點錨桿采用φ18螺紋鋼筋，長度225 mm。現(xiàn)場采用全站儀放樣出每個測點位置，采用YT—25手風鉆，垂直洞壁和頂拱巖面鉆孔，鉆孔直徑Φ38 mm，孔深240 mm。測點錨桿的埋設采用錨固劑進行固定，經過6 h后即可進行初次觀測[4]。

圖1 測點布置圖

4.2 監(jiān)控量測數(shù)據采集

該工程主要利用收斂儀和人工讀數(shù)儀進行收斂量測，利用水準儀監(jiān)測拱頂點的沉降。收斂計采用JSS30A型系列數(shù)顯收斂計，基本參數(shù)：量測范圍0.5m～15m；測量精度：0.01mm；數(shù)顯示值穩(wěn)定度：24 h≤0.01 mm。

監(jiān)控量測的讀數(shù)頻率主要根據位移速度及離工作面的距離確定，應從表2中選擇較高的一個量測頻率。

表2 量測頻率表

注：B為毛洞寬度

當位移速率明顯下降，水平收斂速度<0.2 mm/d，拱頂位移速度<0.1 mm/d時，經批準可停止量測[5]。

本文選取該隧洞樁號0+346處監(jiān)控量測斷面，該斷面所在洞室圍巖巖性為早元古代花崗巖，微風化，屬于硬質巖，洞室埋深110 m，圍巖類別為Ⅳ類，監(jiān)控量測主要數(shù)據見表3。

表3 量測數(shù)據成果表

4.3 監(jiān)控量測數(shù)據處理

根據監(jiān)控量測數(shù)據成果繪制出水平收斂變形和頂拱沉降變形的位移時態(tài)曲線，詳見圖2。

圖2 變形位移時態(tài)曲線

根據時態(tài)曲線反映的散點分布規(guī)律，選取指數(shù)函數(shù)u=Ae-B/t作為回歸分析函數(shù)可能較為合理。利用Excel軟件中的數(shù)據分析工具，得到回歸方程如下：水平收斂：u=7.8506e-1.2291/t，相關系數(shù)R2=0.9869；頂拱沉降：u=5.7126e-1.1590/t，相關系數(shù)R2=0.9934。

當t取∞時，得到最終水平收斂位移值為7.85mm，最終頂拱沉降位移值為5.71 mm。

4.4 監(jiān)控量測數(shù)據分析與應用

監(jiān)控量測數(shù)據分析主要包括變形位移相對值分析、圍巖穩(wěn)定情況分析和二次支護時機選擇。

4.4.1 變形位移相對值分析

該斷面的水平距離，即B、C點間距為6 638.33 mm，高度為2 911.45 mm。得到水平位移相對值和頂拱沉降相對值分別為：0.11%和0.19%，均小于表1中對相對位移值0.4%的要求。

4.4.2 圍巖穩(wěn)定情況分析

4.4.3 二次支護時機選擇

該斷面經過13 d的監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)，水平收斂速度已<0.2 mm/d，拱頂沉降速度已<0.1 mm/d；水平位移速度以及拱頂沉降速度明顯下降；水平位移相對值和頂拱沉降相對值均達到94%，同時滿足了施作二次支護的三項標準，可以進行后期支護施工。

5 結 語

在對監(jiān)控量測數(shù)據進行回歸分析時，根據時態(tài)曲線可選取對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或雙曲函數(shù)中曲線擬合最優(yōu)者作為回歸分析函數(shù)。

在工程施工過程中，影響監(jiān)控量測數(shù)據的因素較多，如工程地質條件、圍巖爆破及人員素質等，這就要求量測人員應提高對監(jiān)控量測重要性的認識，提高人員素質，保證量測數(shù)據的真實準確，為施工安全與支護設計提供數(shù)據支持。

[1]揣連成，楊能，王梓晗.圍巖變形監(jiān)控量測在隧洞施工中的應用[J].水利水電技術，2006，37(04)：27-29.

[2]中華人民共和國水利部.SL377—2007水利水電工程錨噴支護技術規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[3]原國家冶金工業(yè)局.GB50086—2001錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[4]宋維圣.大伙房水庫輸水工程圍巖變形監(jiān)控量測[J].東北水利水電，2006,24(09)：13-14.

[5]張照太，陳竹，楊曉迎.超長隧洞TBM發(fā)施工圍堰變形監(jiān)測方法分析[J].水利建設與管理，2007(11)：32-34.

[6]宋彥剛，陳方方，李寧，陽莉.紫平鋪工程引水隧洞群現(xiàn)場監(jiān)測與仿真反演分析[J].四川水力發(fā)電，2004,23(02)：12-14.

1007-7596(2014)12-0084-03

2014-09-10

孫立公(1983-)，男，吉林東遼人，工程師，研究方向為工程地質水文地質勘察。

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