基于監控量測技術的隧道洞口段圍巖穩定性分析

王仁建，韓自強

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司 廣州市 510101； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶市 400067)

0 引言

近年來，隨著公路交通建設事業的發展，公路隧道工程的建設規模越來越大。新奧法作為目前地下工程施工中最常用的方法，具有安全、高效、高產的特點，新奧法講究信息化設計和施工，重視監控量測在隧道動態設計和施工中的作用。隧道施工監控量測技術是指在隧道施工過程中使用各類儀表和工具，對圍巖和支護結構的變形和受力狀態進行監測，通過監控量測數據可以分析巖體的穩定性和支護結構的安全性，進而指導施工和修正設計參數[1-3]。監控量測項目分為必測項目和選測項目，必測項目是通過對圍巖和支護結構的觀察和變形觀測，判斷圍巖的穩定性；選測項目是通過對圍巖及支護結構的受力、內力、應變和位移等進行監測，深入掌握圍巖的穩定狀態和支護效果[4-6]。

以軟弱巖層高速公路隧道單向出洞洞口段為例，分析和研究監控量測技術在圍巖穩定性分析中的應用。

1 工程概況

目前該隧道左洞已貫通，右洞為進口單向開挖方式掘進，采用三臺階預留核心土工法施工，進口當前上臺階掌子面里程為K0+685。出洞口已施作管棚，上臺階開挖至里程K0+690，掌子面揭露圍巖主要為炭質泥巖，強風化，巖質較軟，呈單斜狀構造，出洞口地表為厚層粉質黏土，植被茂盛。出洞口埋深淺，洞口位于一單斜坡下方，存在輕度偏壓。具體見圖1所示。

圖1 右洞出洞口里程K0+690位置橫斷面簡圖

2 監控量測斷面

單向出洞一般是指從洞內向另一端洞口直接出洞，單向出洞具有節約投資、加快施工進度和減少人工痕跡的作用，但在洞口淺埋和偏壓情況下，單向出洞往往會增加施工難度，增加施工風險。因此在隧道單向出洞施工過程中，除了選擇恰當的施工工藝和支護措施外，應加強監控量測工作，根據監控量測信息化數據保證隧道安全貫通，為洞口段圍巖穩定性分析提供依據。

根據本隧道洞口單向出洞的特點，在K0+685樁號分別布設地表沉降斷面、拱頂下沉斷面和周邊收斂斷面，并在施工過程中加強地質與支護狀態觀察工作，用以了解圍巖及支護結構在施工過程中的穩定性。如圖2所示，地表沉降斷面布設5個測點，采用全站儀進行數據測量。如圖3所示，拱頂下沉斷面布設3個測點，測點位置以拱頂為中心橫向間距2～3m埋設；周邊收斂斷面布設2條測線，中臺階和下臺階各布設1條測線，采用全站儀進行數據測量。

圖2 地表沉降斷面測點布設圖

圖3 拱頂下沉和周邊收斂斷面測點布設圖注：G1、G2、G3為拱頂下沉測點；A1A2、B1B2為周邊收斂測線

3 監控量測數據分析

3.1 數據變形管理[7]

位移數據管理等級標準分三個等級，其等級劃分見表1。當U2U0/3時，預警并采取特殊措施。并根據監測位移速率及位移速率的變化率來判斷圍巖的穩定性。

表1 位移數據管理等級標準表

注：1.U為實測位移值;

2.U0為設計極限位移值，本次U0采用設計預留變形量12cm

3.2 地表沉降數據分析

地表沉降K0+685斷面自2018年10月21日開始監測，共監測21d，監測數據穩定后于11月10日結束監測。圖4為地表沉降K0+685斷面沉降曲線圖，可見該斷面在10月21日至10月23日內加速沉降，2天內最大沉降點D4累計沉降88mm，圍巖及支護結構不穩定；該斷面在10月23日至10月27日內緩慢沉降，又在10月27日后緩慢上升，最終趨于穩定；K0+685斷面最大沉降點D4最終累計沉降87mm，最小沉降點D1最終累計沉降31mm。

圖4 地表沉降K0+685斷面沉降曲線圖

3.3 拱頂下沉數據分析

拱頂下沉K0+685斷面自2018年10月21日開始監測，共監測20d，監測數據穩定后于11月9日結束監測。圖5為拱頂下沉K0+685斷面沉降曲線圖，可見該斷面在10月21日至10月23日內加速沉降，2天內最大沉降點為左側測點(G1)，累計沉降66mm，圍巖及支護結構不穩定；該斷面在10月23日后呈現緩慢沉降趨勢，最后趨于穩定；K0+685斷面最大沉降點為左側測點(G1)，最終累計沉降89mm，最小沉降點為右側測點(G3)，最終累計沉降59mm。

圖5 拱頂下沉K0+685斷面沉降曲線圖

3.4 周邊收斂數據分析

周邊收斂K0+685斷面自10月27日開始監測，共監測21d，監測數據穩定后于11月16日結束監測。圖6為周邊收斂K0+685斷面沉降曲線圖，可見該斷面在10月28日至11月1日內變形速率較大，4天內最大收斂測線(B1B2)累計收斂5mm；該斷面在11月1日后變形速率減小，最后趨于穩定；K0+685斷面最大收斂測線(B1B2)最終累計收斂11mm。

圖6 周邊收斂K0+685斷面收斂曲線圖

3.5 監測數據管理及穩定性分析

表2 監測數據管理及預警情況表

備注：表中沉降量為該斷面各量測點最大值

在本次隧道洞口段監控量測過程中，即重視監測數據的分析和反饋，同時也重視地質與支護狀態的觀察。結合圖4～圖6及表2的內容，K0+685斷面地表沉降和拱頂下沉監測數據在10月22日進行了預警，日沉降量分別為28mm和10mm；在10月23日進行了二次預警，日沉降量分別為60mm和56mm，其中地表沉降累計達到了88mm；拱頂下沉監測數據在10月31日進行了第三次預警，累計沉降量達到了80mm。通過地質與支護狀態的觀察發現，在10月22日至10月23日，出口段隧道初期支護拱部出現明顯裂縫，主要呈環向分布。

根據監測數據預警情況及初期支護開裂情況推斷，此時圍巖和支護結構不再穩定，K0+685斷面地表沉降和拱頂下沉數據管理均為Ⅲ級，須采取相應措施。施工單位通過增設鋼架鎖腳錨桿、復噴初支混凝土、及時封閉仰拱等措施，使得10月23日后沉降量明顯減小，最終監測數據趨于穩定，圍巖和支護結構也趨于穩定，保證了隧道的安全施工和順利貫通。

4 結論

對某軟弱巖層高速公路隧道單向出洞洞口段進行了監控量測必測項目監測，得到以下幾點認識：

(1)出洞口段同一監控量測斷面拱頂沉降量一般大于周邊收斂量，監控量測位移數據的較大變形主要表現在開挖后的數日內。

(2)根據監測數據分析判斷了圍巖和支護結構的穩定性，及時進行了預警，為施工單位采取應急措施提供了依據，為施工安全提供了保證。

(3)監控量測技術對預防隧道變形坍塌、及時采取安全措施具有重要作用，應加強重點段落隧道施工監控量測工作。