軟弱圍巖隧道變形監測與分析

趙香玲

摘 要：針對軟巖隧道變形監測問題，本研究依托武都西隧道，選取監測斷面布置測點，進行拱頂沉降和周邊收斂監測。其間利用監測數據繪制拱頂下沉及周邊收斂的位移、速率曲線，研究了拱頂沉降和周邊收斂的變形規律，并對實測數據進行擬合，獲得曲線擬合方程，初步預測變形穩定時的位移值，為類似隧道變形監測及變形規律研究提供借鑒。

關鍵詞：軟巖隧道;變形監測;拱頂下沉;周邊收斂

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0119-04

Deformation Monitoring and Analysis of Tunnel

with Weak Surrounding Rock

ZHAO Xiangling

（Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Abstract： Aiming at the problem of soft rock tunnel deformation monitoring， this study relied on the Wuduxi Tunnel， selected the monitoring section to arrange the measuring points， and monitored the settlement of the vault and the surrounding convergence. In the meantime， the monitoring data was used to draw the displacement and velocity curves of the dome subsidence and the surrounding convergence， and the deformation laws of the dome subsidence and surrounding convergence were studied， and the measured data were fitted to obtain the curve fitting equation and preliminarily predict the displacement value when the deformation was stable， so as to provide reference for similar tunnel deformation monitoring and deformation law research.

Keywords： soft rock tunnel;deformation monitoring;dome settlement;peripheral convergence

高速鐵路和高速公路的發展使得山嶺隧道逐漸增多，而山嶺隧道施工過程中，地質環境存在一定的不確定性，軟巖隧道施工往往直接決定整個工程能否按時完成。對于軟巖隧道變形規律及監測方法，諸多學者做出了諸多研究。

任博等分析了軟弱地層中圍巖變形產生的原因，通過統計分析研究了圍巖與支護結構的協調關系[1];林錦騰等借助數值模型和現場監測的方法，研究了山嶺隧道超淺埋段圍巖變形規律[2];王偉等依托在建隧道工程，研究了軟弱圍巖洞口淺埋段圍巖變形控制的問題，得出了基于各施工階段的超前加固措施[3];趙志剛等研究了圍巖變形破壞的特征并分析了原因，提出了隧道大變形控制的有效措施[4];段清超等利用三維激光掃描技術，研究了隧道結構變形的時間、空間等問題[5];劉慶豐等利用區間估計方法，研究了公路隧道變形量分布范圍及預留變形量的問題[6];侯公羽等采用分布式光纖進行不同預張拉試驗，確定了光纖監測隧道變形時需要設定的最佳初始預張拉值[7];王英帆等通過對某高速公路隧道圍巖變形、鋼拱架應力、圍巖壓力等現場監測，研究了施工階段的圍巖變形規律和受力特點，并通過數值模擬，分析了不同鋼架間距對隧道圍巖變形控制效果的影響，提出了經濟有效的初期支護參數[8];嚴錦江等通過現場預埋多點位移計和長期監測，研究了深埋隧道圍巖變形特征，得出了圍巖變形收斂天數[9];王永剛等通過統計分析隧道施工過程中的大量監測數據，得到了木寨嶺隧道最大水平位移、拱頂沉降和擠壓變大變形的分布規律，基于此研究了灰質板巖隧道初期支護和二襯施作時的變形控制基準[10];張卓等根據軟硬巖圍巖變形監測數據，利用統計歸納和比較分析，指出軟硬巖塌方前變形曲線加速度呈整體遞增趨勢[11];成俊等通過對三維點云與若干斷面變形監測數據進行對比分析，驗證了運用三維激光掃描監測地鐵隧道變形的可行性[12];張錦等改進了灰色神經網絡，用于預測隧道變形[13]。

綜上所述，軟巖隧道變形監測、變形控制、監測技術和變形規律等方面已有諸多研究，但是軟巖隧道變形監測及變形規律還需要更多研究。

1 工程概況

武都西隧道采用分離式設計，長度為1 892 m。左、右線均采用[R]-2800圓曲線和平面線，設計縱坡坡度為-2.2%。左線隧道ZK85+690至ZK87+573的全長為1 883 m，設計縱坡坡度為-2.27%。隧道所處區域的外露地層構造由上至下分別為：黃褐色土質均勻、中密實新統黃土（[Q23]）;土質不均勻、含有大量卵石、水平層的新統洪積粉質黏土（[Q23]）;下部由泥灰巖變質而成的千枚巖以及呈薄片狀、節理發育、極易破碎、巖石強度較低的灰軟巖組成。

2 軟弱圍巖隧道變形監測方案

由于巖土工程的復雜性和特殊性，隧道前期勘察設計和實際開挖后地質構造會有一定偏差，因此隧道施工期間需要加強監控量測的管理。隧道施工過程中所進行的巖石力學試驗和地質調查以及巖石力學參數的重新確定為進一步修訂隧道開挖方法及支護參數提供了參考依據。武都西隧道采用新奧法施工，隧道采用復合襯砌。隧道開挖期間對拱頂、周邊收斂等圍巖變形進行監測，這關系到隧道二次襯砌的支護時間及初期支護的安全性。根據武都西隧道的施工方法、隧道所處區域的地質情況及支護形式等工程資料，最終確定隧道開挖過程著重開展拱頂下沉監測、周邊收斂監測、洞內觀察和支護情況監測等項目。

在隧道施工過程中，人們要監測斷面布置間距，主要考慮圍巖級別和隧道埋深兩個因素。地表沉降監測主要針對淺埋隧道和隧道洞口段。如果隧道處于Ⅳ級圍巖區域且埋深小于15 m，那么隧道屬于淺埋隧道，這時需要進行地表沉降觀測、拱頂沉降監測、周邊收斂監測和洞內觀測，監測斷面沿縱向15～20 m布置。對于Ⅲ級和Ⅱ級圍巖，監測斷面縱向布置間距分別為20～30 m和30～50 m。如果圍巖段落比較零碎，每一段落都小于相關規范要求的監測斷面布置距離，那么需要保證每一級圍巖段落至少布置一個監測斷面。在隧道開挖中，可根據研究需要及研究的深入程度，布置一些選測項目。

武都西隧道埋深較大，而隧道所處的圍巖絕大多數為Ⅴ和Ⅳ級圍巖。依據《公路隧道施工技術規范》（JTG/T 3660—2020），洞室內進行周邊收斂、拱頂下沉和洞內觀察等必測項目，周邊收斂布置2條測線，按照規范要求，監測斷面設定為15 m一個，斷面具體測線布置如圖1所示，圍巖等級發生變化的地段可以根據實際情況適當增加監測斷面。武都西隧道監控量測所采用的儀器如下：拱頂下沉采用精度為0.1 mm的AT-G2水準儀、銦鋼尺;周邊收斂采用精度為0.1 mm的周邊收斂儀（JSS30A）。其間以《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086—2015）作為圍巖穩定評價標準。

3 監測數據分析

3.1 軟巖拱頂沉降分析

武都西隧道圍巖基本為Ⅴ和Ⅳ級圍巖，因此在研究隧道開挖過程中的圍巖變形規律時，本文選取了隧道右線YK 86+530處觀測斷面拱頂下沉和周邊收斂數據作為圍巖變形的研究對象。拱頂下沉（見圖2）主要出現在隧道開挖1～5 d，此過程位移較大，原因是隧道開挖過程中，圍巖應力迅速釋放，導致圍巖變形量較大。另外，此時間段內，初期支護產生支護效果還需要一段時間，并且初期支護屬于柔性支護，自身也會發生一定變形，最終導致此段時間內拱頂沉降位移較大。16 d以后，拱頂沉降位移變化不大并趨于穩定。

由圖3可以得出，隧道開挖至監測斷面YK 86+530后的第一天，拱頂沉降速度較快，而且處于急劇變化狀態，這一現象與圖2拱頂沉降位移急劇增加的情況一致。當掌子面開挖6 d后，拱頂沉降速率變緩，由于武都西隧道所處圍巖較為軟弱，施工單位為了控制圍巖變形，使其盡早處于穩定狀態，在初期支護發揮作用的同時施作了第二道初期支護結構。依據最新圍巖穩定性判定標準，16 d以后，拱頂下沉速率保持在0.07～0.15 mm/d，由此判定圍巖變形基本穩定。

如圖4所示，當開挖掌子通過監測斷面10 m以后，拱頂沉降位移逐漸減少，說明隧道開挖對監測斷面處的拱頂沉降位移影響減小，開挖至30 m以后基本對其未產生影響，初期支護發揮作用，圍巖逐漸趨于穩定。隧道在監測斷面30 m以內開挖，對監測斷面處的拱頂沉降有一定的影響。本研究對現場拱頂沉降監測數據進行擬合回歸分析，得出擬合曲線為[y=69.521lnx+88.459]，其中，[y]為拱頂沉降位移量，[x]為時間，相關系數[R2]=0.962 8，說明擬合函數和實際監測數據相關，即使用擬合函數是可以初步判斷拱頂沉降的最終值的，預測其最終凈空位移量為323.09 mm，如圖5所示。

3.2 軟巖周邊收斂變形分析

隧道開挖至監測斷面后，在1～5 d內，周邊收斂位移變化較大，如圖6所示。由于隧道開挖工藝的原因，初期支護并未完全閉合而形成支護拱圈，因此初期支護并不能充分發揮其支護作用，導致該時間段內周邊收斂位移較大。隧道掌子面開挖5 d后，周邊收斂速度再次急劇減小。在到開挖后的第3 d時，周邊收斂速度明顯有所減緩，如圖7所示，這時初期支護已發揮一定支護作用，使得周邊收斂速度有所減緩。根據圍巖穩定性判定標準，到16 d時，周邊收斂速率小于0.6 mm/d，本研究據此判定圍巖處于穩定狀態。

如圖8所示，周邊收斂主要發生在距離監測斷面25 m以內的區域，25 m以后，隧道開挖對其監測斷面的周邊收斂位移影響不大，隧道掌子面開挖至40 m以后對周邊收斂幾乎沒有影響。在距離掌子面5 m以內，周邊收斂變化最大，其后增加量相對減少，由于隧道為軟弱圍巖，開挖后圍巖自身外部拱圈形成較難，而在施作了超前加固及輔助支護結構后，外部支護拱圈才逐漸形成，發揮其支護作用，承擔了一定的圍巖應力。基于此，在軟巖隧道施工過程中，監測斷面25 m以內要提高監控量測頻率，同時提高隧道施工的安全意識。通過對該測點周邊收斂速度實測數據進行擬合回歸，本研究得出擬合曲線方程為[y=100.371lnx+76.537]，其中，[y]為周邊收斂位移量，[x]為時間，相關系數[R2]=0.971 8，說明擬合函數和實際監測數據具有相關性。利用擬合曲線預測可得，其最終凈空位移量為487.49 mm，如圖9所示，隨著時間的增加，沉降速度趨于減小，圍巖變形收斂，逐漸趨于穩定。

4 結論

通過對武都西隧道YK 86+530斷面布設拱頂沉降、周邊收斂監測點，本研究對其圍巖變形進行監測，然后整理監測數據，繪制拱頂下沉和周邊收斂的位移、速率曲線，分析該處圍巖變形規律。在掌子面開挖6 d以內，以上兩部分位移量較大，而16 d以后位移變化基本趨于穩定。通過對拱頂沉降、周邊收斂實測數據進行擬合可得，拱頂沉降擬合曲線為[y=69.521lnx+88.459]，周邊收斂位移量的擬合曲線方程為[y=100.371lnx+76.537]。

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