基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時空特性分析

■費智明

（中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西 太原030000）

基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時空特性分析

■費智明

（中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西 太原030000）

隧道開挖導致圍巖應(yīng)力釋放與調(diào)整，圍巖變形具有明顯的時空特性。通過分析圍巖變形機理，結(jié)合萬榮隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對隧道開挖后進口淺埋偏壓段圍巖變形的時空特性進行了分析。結(jié)果表明:隧道進口淺埋偏壓段上覆圍巖變形與開挖掌子面位置及移動過程具有明顯的時空特性，隧道開挖后地表橫向沉降呈U字型分布，且隨埋深的增加累計沉降量逐漸減小。隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定時，拱頂沉降和周邊收斂時間特征曲線相似，并進行了回歸分析。隧道圍巖變形規(guī)律的分析研究對于防治工程災(zāi)害、確定支護最佳時機、調(diào)整施工工序有重要意義。

隧道工程監(jiān)控量測圍巖變形時空效應(yīng)

1 導言

隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施進一步向崇山峻嶺、水域延伸，我國還將建設(shè)更多長度長、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大的隧道工程。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及多樣的施工工法決定了隧道圍巖力學特性的復(fù)雜性。目前，以監(jiān)控量測、錨桿支護、噴射混凝土為關(guān)鍵性三要素的“新奧法”隧道施工設(shè)計理念已逐漸成熟，被廣泛運用到隧道工程當中。其核心理論為充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，在隧道圍巖變形的可控范圍內(nèi)，掌握變形趨勢及支護體系的承載情況，保證變形與支護的動態(tài)平衡穩(wěn)定。近年來，基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時空效應(yīng)的研究雖然已經(jīng)展開，然而鑒于隧道工程特點和地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，這些研究成果仍滯后于隧道工程實踐，沒有很好地得到應(yīng)用。隨著隧道掌子面不斷向前開挖推進，圍巖約束條件也發(fā)生時間和空間的相應(yīng)變化，只有將二者有機地結(jié)合起來研究才能掌握圍巖變形的規(guī)律。本文根據(jù)萬榮隧道進口明挖段洞口地表塌陷形成的沉降槽，先分析隧道圍巖變形機理，然后結(jié)合隧道地表下沉、拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析了隧道進口淺埋偏壓段圍巖的變形時空效應(yīng)規(guī)律，以此探討圍巖變形與掌子面距離關(guān)系的影響，以及隧道圍巖變形的特點和工程原因。

2 工程概況

萬榮隧道設(shè)計為為單洞雙線隧道。隧道起訖里程為DK555+117～DK562+800，全長7683m，最大埋深約為90.25m。全長7683m，隧道進口～DK555+210.07段93m位于R=1200m的左偏曲線上，其余段落均位于直線上，隧道縱坡為單面上坡，坡度及坡長依次為4.9‰/333m、5.1‰/7350m。隧道地層為砂質(zhì)或黏質(zhì)新黃土、砂質(zhì)或黏質(zhì)老黃土、粉砂、細砂。不良地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土、粉砂地層。地表水不發(fā)育，地下水位埋深較深。隧道Ⅳ級圍巖180m，占2.34%；Ⅴ級圍巖7403m，占96.36%；Ⅵ級圍巖100m，占1.3%。隧道施工采用“超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護、超前加固；工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌緊跟到位；強化圍巖量測”的“三超前，四到位，一加強”的技術(shù)措施，隧道設(shè)5座無軌運輸斜井和進、出口明挖段。

3 隧道圍巖變形時空特性分析

3.1 隧道圍巖變形機理

由于隧道圍巖賦存環(huán)境及自身條件的復(fù)雜性，必然使隧道圍巖在受到外界荷載作用時出現(xiàn)復(fù)雜的受力變形，導致圍巖出現(xiàn)不同的變形機理。

3.2 隧道圍巖變形的時空效應(yīng)

（1）地應(yīng)力作用的無時不在，無處不有。（2）開挖掌子面圍巖超前變形量和掌子面前方發(fā)生超前變形的范圍是隧道開挖掌子面前方圍巖先行變形的兩個當量值。根據(jù)隧道圍巖在開挖前、開挖后未進行支護毛洞、支護完成后三種情況下的實際變形可將隧道劃分為三個區(qū)域:隧道掌子面前方的先行微小變形區(qū)域;掌子面開挖擾動的先期急劇增大變形區(qū)域及應(yīng)力重分布的緩慢變形區(qū)域;已支護段的圍巖穩(wěn)定變形區(qū)域。根據(jù)工程現(xiàn)場實際狀況和后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反演分析得出:微小變形區(qū)是指隧道開挖掌子面前方約1倍洞徑范圍的超前變形區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生的原因主要是由于隧道開挖導致掌子面前方圍巖出現(xiàn)應(yīng)力釋放或失水產(chǎn)生固結(jié);急劇增大變形區(qū)集中在掌子面后方1到3倍洞徑的區(qū)域，該區(qū)域主要是由于隧道開挖導致地層缺失引起拱頂大的沉降，總變形量的大部分在此階段產(chǎn)生;緩慢變形區(qū)集中在掌子面后方3到5倍洞徑區(qū)域內(nèi)，由于此段圍巖應(yīng)力重分布完成，該區(qū)域內(nèi)拱頂沉降速率逐漸減小;穩(wěn)定變形區(qū)主要指掌子面后方5倍洞徑以外范圍，該區(qū)域在支護結(jié)構(gòu)的反力支撐下圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定

4 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測

4.1 監(jiān)控量測的目的

萬榮隧道進口明挖淺埋偏壓段圍巖以砂質(zhì)新黃土的V級圍巖為主，隧道開挖導致圍巖變形有明顯的時空效應(yīng)，隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測是隧道施工的重要組成部分，作為不可缺少的施工工序，它不僅監(jiān)測各施工段圍巖動態(tài)，確保施工安全，還能根據(jù)拱頂下沉和周邊收斂的變形及變形速率判斷隧道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，指導二次襯砌的支護時機，為隧道施工變更提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

4.2 圍巖變形的時間效應(yīng)分析

選取隧道斷面DK555+644.5進行圍巖變形分析，該斷面位于進口明挖、偏壓淺埋段，圍巖級別為V級，穩(wěn)定性差，采用三臺階法開挖。1)拱頂下沉變形規(guī)律斷面DK555+644.5拱頂下沉累計量和下沉速率隨時間變化曲線如圖所示。由圖可知，當隧道淺埋段采用三臺階開挖時，該斷面圍巖位移最終趨于穩(wěn)定，累計沉降量為119.6mm。隧道拱頂?shù)某两底冃胃鶕?jù)沉降速率主要分為四個階段:①上臺階開挖引起的急速變形階段，持續(xù)時間約7天，累計沉降量達45.2mm，占總沉降量的37.8%;②中臺階開挖引起的快速變形階段，該階段持續(xù)約11天，該階段的沉降量為39.9mm，約占總沉降量的33.4%;③下臺階開挖引起的緩慢變形階段，該階段持續(xù)11天，累計沉降量為34.5mm，占總沉降量的28.8%;④仰拱封閉變形穩(wěn)定收斂階段，出現(xiàn)在開挖30天左右，該階段變形速率趨向于零，整個目標斷面的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)趨向于平衡。

5 結(jié)束論

通過隧道現(xiàn)場觀察，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對隧道進口淺埋處地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂以及圍巖變形與時間、空間曲線進行分析，結(jié)合隧道地表現(xiàn)場破壞特征，得出以下結(jié)論:1)隧道進口淺埋偏壓段的開挖對地表擾動較大，隧道開挖引起的變形范圍擴展至地表，并在地表形成一個沉降槽，地表橫向沉降呈正態(tài)分布規(guī)律，且隨著埋深的增大地表累計沉降量逐漸減小。2)由于隧道施工速度保持在一定的速度之下，隧道圍巖變形與掌子面關(guān)系曲線和圍巖變形時間效應(yīng)特征曲線基本相似，隧道圍巖變形穩(wěn)定時，拱頂和周邊收斂測線基本上能同時趨于穩(wěn)定。

[1]王海強,張成良,陳娛,張全全.基于監(jiān)控量測的隧道圍巖變形時空特性分析 [J].世界科技研究與發(fā)展,2016,04:773-777.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-132-1