基于檀樹灣隧道監(jiān)控量測的圍巖變形特征分析

唐 金

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南長沙 411004)

基于檀樹灣隧道監(jiān)控量測的圍巖變形特征分析

唐 金

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南長沙 411004)

結合檀樹灣隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測工作，研究了隧道圍巖的變形特征。通過分析隧道拱頂變形和周邊收斂變形發(fā)現(xiàn)圍巖變形曲線主要表現(xiàn)為臺階型、拋物線型和廠型3類曲線，且各類型曲線變化過程可劃分為快速變形階段、過渡變形階段和穩(wěn)定收斂階段3個階段；對圍巖變形進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)能較好的擬合圍巖拱頂沉降曲線和周邊收斂曲線；通過圍巖變形與掌子面的距離空間效應分析，給出了施作二襯的合理間距。結合隧道監(jiān)測結果，分析了圍巖變形的主要影響因素。

監(jiān)控量測；回歸分析；圍巖變形；時空效應

0 引 言

新奧法是目前國內外隧道設計與施工的核心思想，它強調隧道圍巖是支護體系的一部分，即充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。隨著隧道工程的不斷發(fā)展，越來越多的隧道建設采用了新奧法施工。而在新奧法施工過程中，勤測量是保證隧道安全施工的重要手段。通過對隧道圍巖變形實時監(jiān)測與分析，為隧道二次襯砌支護提供理論依據(jù)；通過測量隧道圍巖變形及觀測圍巖是否產生裂縫，預測隧道塌方情況，從而避免發(fā)生安全事故。王彥清利用位移反分析法對廈門翔安海底隧道變形進行預測，其結果在對控制隧道變形起到了重要的作用[1]。劉冠蘭基于工程實例研究了地鐵隧道變形監(jiān)測關鍵技術與分析預報方法[2]。谷志祥通過分析大南溝隧道不同開挖方法下的圍巖變形，基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)建立了圍巖變形預測模型[3]。本文對檀樹灣隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測得到的圍巖變形-時間、空間曲線進行分類，分析了圍巖變形的時空效應及影響因素，并給出了施工二次襯砌的合理掌子面距離，對保障檀樹灣隧道安全施工及類似工程具有重要意義。

1 工程概況

婁衡高速檀樹灣隧道位于湖南省婁底市雙峰縣鏡內，左線婁底端里程樁號為ZK11＋670，衡陽端里程樁號ZK12＋698，隧道全長1028 m；其中明洞30 m，Ⅲ級圍巖529 m，Ⅳ級圍巖221 m，Ⅴ級圍巖248 m。右線婁底端里程樁號為K11＋670，衡陽端里程樁號K12＋690，隧道全長1020 m；其中明洞30 m，Ⅲ級圍巖520 m，Ⅳ級圍巖222 m，Ⅴ級圍巖248 m。場地地貌類型為丘陵地貌，地表剝蝕較強烈。隧道所穿越的叢毛大山基本呈不規(guī)則帶狀，山頂最大高程282.5 m；隧道起點段位于從毛山北側坡腳，山前沖溝底部最低高程為113.7 m，北側山坡坡腳較緩，為山坡坡前堆積體，厚度較大，緩坡寬約130～150 m；山坡上部自然坡底較大，覆蓋層較薄。左、右線洞門均無偏壓，婁底端洞門采用削竹式洞門，衡陽端采用端墻式洞門。

2 檀樹灣隧道監(jiān)控量測技術與方法

2.1 監(jiān)測技術及方法

依據(jù)國家規(guī)范[4]和設計文件，檀樹灣隧道監(jiān)控量測項目主要有地質觀測、周邊收斂、拱頂下沉和地表沉降。隧道洞口及淺埋段地表沉降測點布置見圖1。由于隧道采用臺階法開挖，拱頂測點和周邊收斂測線的布置見圖2。地質觀測主要包括地質內容(巖性特征；地層時代及產狀；節(jié)理、斷層的性質、產狀；地下水；開挖工作面的穩(wěn)定狀態(tài)；圍巖類型等)和開挖后已支護段情況，包括初期支護完成后對噴層表面的觀察以及裂縫狀況的描述與記錄；有無錨桿被拉壞或墊板陷入圍巖內部的現(xiàn)象；噴混凝土是否產生裂隙或剝離，噴混凝土是否發(fā)生剪切破壞；鋼拱架有無被壓曲現(xiàn)象；有無底鼓現(xiàn)象等。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法

監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定收斂是反應隧道圍巖穩(wěn)定的主要手段之一。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，預測圍巖變形速率及最終變形量，進而為后續(xù)施工提供指導。常用的一元非線性回歸方程主要有3種:

(1)對數(shù)函數(shù):

(2)指數(shù)函數(shù):

(3)雙曲線函數(shù):

式中，a，b為擬合常數(shù)。

圖1 周邊位移、拱頂下沉測點布置

圖2 地表沉降測點布置

3 隧道圍巖變形特征分析

隧道開挖擾動打破原巖的應力平衡狀態(tài)，同時由于隧道施工方法、地質條件、支護形式的差異，圍巖的擾動程度也大不相同。開挖擾動下的圍巖變形發(fā)展隨著掌子面的開挖表現(xiàn)出明顯的時空效應。

3.1 洞口段地表沉降結果分析

檀樹灣隧道左右線同時施工，Z7K12＋672和YK12＋670斷面分別位于隧道左右洞口段。由于洞口段處的圍巖等級低，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，當進行洞口開挖擾動時極易發(fā)生地表沉降。左右線洞口處斷面地表沉降隨時間的變化曲線如圖3所示。監(jiān)測結果顯示，Z7K12＋672和YK12＋670斷面各地表沉降點在監(jiān)測開始50 d后都趨于穩(wěn)定。各測點沉降變化波動小，日均變化速率為0～0.5 mm/d，各斷面的累計沉降最大值都在隧道軸向附近，且離軸線距離越遠，沉降變形越小，這與Peck沉降曲線相一致[5]。同時隨著隧道埋深增大，地表沉降變形逐漸減小。因此，對于洞口段開挖應加強重視，應采取超前支護等有效措施嚴格控制地表沉降變形。

圖3 檀樹灣隧道地表沉降橫向曲線

3.2 圍巖變形的時間效應分析

圍巖變形是一個隨時間變化的過程，不同階段巖體變形規(guī)律各部相同，具有明顯的時間效應。

3.2.1 拱頂變形規(guī)律

選取檀樹灣隧道左線斷面ZK12＋555進行圍巖變形分析，斷面拱頂沉降與時間關系見圖4。由圖4可知，采用臺階法開挖時，該斷面的拱頂沉降變形累計沉降量為48.94 mm，變形過程主要分為 3個階段:

(1)快速變形階段，當隧道上臺階開挖后，拱頂變形出現(xiàn)了快速沉降，日沉降量最大達3.75 mm，平均沉降速率達到1.97 mm/d，累計沉降量達25.63 mm，占總沉降量的52.4%；

(2)變形過渡階段，該階段日沉降量仍較大，但變形速率有減小的趨勢，主要發(fā)生在下臺階開挖過程。該階段累計沉降量達21.22 mm，占總沉降量的44.1%；

(3)變形穩(wěn)定收斂階段，初期支護后10 d左右，沉降變形逐漸變小并趨于穩(wěn)定，該階段變形速率逐漸減小，最終趨向為零。

采用公式(1)、(2)和(3)分別對原始數(shù)據(jù)進行回歸分析，通過擬合結果發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)為ZK12＋555斷面拱頂沉降與時間關系曲線的最佳擬合函數(shù)。擬合結果為a＝59.4，b＝0.046，相關系數(shù)R2＝0.98。因此ZK12＋555斷面拱頂沉降與時間關系曲線的方擬合程為:

3.2.2 周邊收斂變形規(guī)律

圖5為斷面ZK12＋555上測線周邊收斂與時間關系曲線圖。由圖5可知，上測線周邊收斂累計穩(wěn)定值為34.71 mm，變形過程主要分為3個階段:

(1)急速變形階段。當隧道上臺階開挖后，周邊收斂變形出現(xiàn)了快速變形，日變化量最大達3.85 mm，大約6 d后變形速度變小，平均沉降速率達到2.92 mm/d，累計沉降量達18.32 mm，占總變形值的50.5%；

(2)過渡變形階段。該階段變形主要受下臺階開挖影響，但變形速率變化較小，平均變形速率為1.29 mm/d，該階段的變形量為14.22 mm，占總變形量的40.9%；

(3)收斂穩(wěn)定階段。該階段變形速率逐漸減小，最終趨向為零。對原始數(shù)據(jù)進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)為ZK12＋555斷面周邊收斂與時間關系曲線的最佳擬合函數(shù)。擬合結果為a＝39.8，b＝0.084，相關系數(shù)R2＝0.97。因此ZK12＋555斷面周邊收斂與時間關系曲線的方擬合程為:

圖4 ZK12＋555斷面上測線周邊收斂曲線

通過監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)圍巖變形的時間特征曲線主要分為3類:臺階型、拋物線型和廠型。拱頂沉降與時間關系曲線受上下臺階開挖影響主要表現(xiàn)為臺階型曲線，可分為3個階段:快速變形階段、變形過渡階段及穩(wěn)定收斂階段。各階段的持續(xù)時間與后續(xù)工序關系密切，跟進速度越快，持續(xù)時間則越小。周邊收斂與時間關系曲線多表現(xiàn)為拋物線型和廠型。上測線的周邊收斂由于受下臺階開挖影響多表現(xiàn)為拋物線型曲線，而下測線的周邊收斂曲線則主要表現(xiàn)為廠型曲線。

3.3 圍巖變形的空間效應分析

圍巖變形的空間效應表現(xiàn)在隨著掌子面的推進，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。圖5為ZK12＋555斷面在臺階開挖法下圍巖變形與掌子面距離的關系。由圖5可知，ZK12＋555斷面拱頂沉降空間效應呈“臺階”增長，上測線周邊收斂的空間效應表現(xiàn)出“拋物線型”，而下測線則表現(xiàn)出“廠型”。在距掌子面的距離為2.6倍洞徑時，拱頂沉降變形趨于穩(wěn)定，而周邊收斂時與掌子面距離約2.9倍洞徑，故建議在Ⅴ級圍巖施工中，當距離掌子面三倍洞徑時可施作二次襯砌。

圖5 圍巖變形與掌子面距離的關系

3.4 圍巖變形影響因素分析

圍巖變形過程復雜，影響因素眾多，不僅受隧道施工、斷面尺寸等工程影響[6]，還與巖體地質條件、構造有關，如:巖體力學特性、圍巖類別、地下水、隧道埋深等[7]。結合監(jiān)控量測結果，檀樹灣隧道圍巖變形的影響因素主要有:

(1)圍巖類別。圍巖的類別及力學特性對其穩(wěn)定性起著至關重要的作用，同時也是圍巖變形的最主要影響因素之一。對于硬巖易引起巖爆、剝落和開裂現(xiàn)象；軟巖則變形問題突出。施工過程表現(xiàn)出的大變形、失穩(wěn)、塌落等問題與巖性密切相關。同時圍巖級別越高，圍巖變形越大。這是由于圍巖級別越高，節(jié)理裂隙越發(fā)育，工程特性越差，當進行開挖擾動出現(xiàn)應力釋放時，高級別圍巖便表現(xiàn)出較大的巖體變形。

(2)初始地應力。圍巖在最大主應力方向失穩(wěn)和破壞的概率最大，所以圍巖變形與初始地應力與隧道軸線關系密切聯(lián)系:當?shù)貞σ源怪狈较驗橹鲿r，隧道拱頂沉降變形較為明顯；當?shù)貞σ运椒较驗橹鲿r，隧道周邊收斂變形受地應力影響較大。因此在隧道工程建設中必須充分考慮主應力方向與隧道軸向及斷層節(jié)理的關系。

(3)地下水及不良地質條件。地下水對圍巖變形的影響主要有表現(xiàn)在:水能加速土體崩解，弱化巖石強度；地下水滲流產生動水壓力及靜水壓力，改變巖土體的應力狀態(tài)。不良地質條件如斷層破碎帶、巖溶等對圍巖變形也具有一定的影響。

(4)施工開挖方法與支護工程措施。圍巖變形是圍巖-支護相互作用的動態(tài)表現(xiàn)，所以，隧道圍巖的穩(wěn)定性除受地質條件影響外，還受工程因素的影響[8]。隧道工程的影響因素主要包含隧道斷面的尺寸、隧道埋深、開挖方法、施工工序、支護措施以及其它工程的影響等。

4 結 論

(1)受分部臺階開挖影響，拱頂沉降與時間關系曲線主要表現(xiàn)為臺階型，可大致分為:快速變形、過渡變形、穩(wěn)定收斂3個階段，且其回歸曲線與指數(shù)函數(shù)較為相近。

(2)Ⅴ級圍巖施工中，在距掌子面的距離為3倍洞徑時，拱頂沉降和周邊收斂變形均趨于穩(wěn)定，故可建議當距離掌子面3倍洞徑時施作二次襯砌。

[1]劉冠蘭.地鐵隧道變形監(jiān)測關鍵技術與分析預報方法研究[D].武漢:武漢大學，2013.

[2]谷志祥.大南溝隧道開挖方法及圍巖變形預測的研究[D].阜新:遼寧工程技術大學，2012.

[3]王彥清.位移反分析在廈門翔安海底隧道變形預測中的應用[J].鐵道建筑技術，2013(8):27-29.

[4]中華人民共和國行業(yè)標準.鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程(TB10121-2007)[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[5]方恩權，楊玲芝，李鵬飛.基于Peck公式修正的盾構施工地表沉降預測研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2015(01):143-149，162.

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[8]張良剛.特大斷面板巖隧道圍巖變形特征及控制技術研究[D].武漢:中國地質大學，2014.

圖3s－lgt曲線

3 結 論

自平衡試樁法一般用于建筑工程地基檢測，在工程實踐中已得到一定的驗證和認可，并逐漸廣泛推廣。礦山工程基礎和建筑地基在巖土力學特征上有一定的相似性和可比性，將自平衡檢測用于例如豎井井筒，提升機房，高大選廠廠房等礦山工程的基礎檢測有一定的指導意義。

參考文獻:

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(收稿日期:2015-10-21)

作者簡介:李欽斌(1985-)，男，廣西人，主要研究方向為礦山安全環(huán)保工程，Email:182816308@qq.com。

2016-03-16)

唐 金(1984-)，男，湖南瀏陽人，工程師，主要從事橋隧工程方面的研究，Email:1071384683@qq.com。