淺談軟質圍巖隧道監控量測方案的制定

任永強

（甘肅省遠大路業集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國交通網的不斷完善，山區軟質圍巖公路隧道日益增多，施工過程中經常出現大變形、坍塌等地質災害。監控量測是隧道工程施工實現動態化控制的重要手段，其目的在于了解圍巖變形機理，判斷支護方案的可靠性，優化設計和施工方案，從而達到指導施工的目的。因此，根據圍巖情況制定科學合理的監控量測方案是隧道施工的重中之重。

目前，施工單位對監控量測的方案制定不夠重視，通常情況只做洞內外觀測、周邊位移和地表下沉等必測項目，沒有做到有效結合圍巖變形特點制定監控量測方案，施工過程中沒有做到系統掌握圍巖變形規律，而進行盲目施工，致使后期出現二次襯砌厚度控制不精準、襯砌侵限和襯砌開裂等一系列問題。特別是地質復雜的軟質圍巖隧道，圍巖變形量大，周期長，過程復雜，不但每段圍巖變形規律都不一樣，而且同一斷面上的不同點變形也不盡相同，只做以上必測項目是遠遠不夠的。采古隧道為炭質頁巖和板巖互層的軟質圍巖隧道，變形量大且復雜，施工過程中，為系統了解圍巖變形機理，將圍巖內部變形量、圍巖及襯砌間壓力、襯砌內部及鋼支撐應力和應變等選測項目，結合圍巖特點納入監控量測的范疇，根據圍巖實際情況制定了采古隧道監控量測方案，取得了良好的效果。下面就以采古隧道監控量測方案的制定為例，介紹如何根據圍巖變形特性，制定監控量測方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

采古隧道位于甘南州S313 線宕昌（南河）至迭部二級公路中段迭部縣洛大鄉采古村，隧道起訖樁號K56+904～K58+282，全長1378m，設計圍巖為Ⅳ級、Ⅴ級兩種等級，其中Ⅳ級圍巖600m，Ⅴ級圍巖778m，Ⅴ級圍巖占隧道總長的56%。最大埋深320m，設計凈寬10.5m，凈高5m，為單線雙向雙車道隧道，設計行車速度40km/h。

1.2 工程地質條件

采古隧道進口左側為一古滑坡堆積體，表面覆蓋層為泥石混合體，厚度約為15m，地表溝壑縱橫，該堆積體有緩慢移動跡象，進口段埋深為左淺右深。巖層走向與隧道軸線基本平行，傾角為30°-80°之間，層理與隧道軸線組合關系極為不利，圍巖破碎，拱部掉塊嚴重，局部段落有崩塌、大變形等不良地質現象。隧道穿越桑谷山及桑底-翠谷山南區域斷層F2，褶皺（褶曲）和斷層伴生節理大量發育。采古隧道圍巖主要為炭質頁巖和炭質板巖互層，層間夾雜著大量礦物粘粒。炭質頁巖為黑色弱風化沉積巖，含水率在7%－10%之間，飽和單軸抗壓強度在3－4MPa 之間，為極軟巖。炭質板巖飽和單軸抗壓強度約10－20MPa 之間，為軟巖。

2 圍巖變形特性

采古隧道施工前期，為制定合理監控量測方案來指導施工，查閱了大量類似地質的工程實例。并根據炭質頁巖工程特性，對采古隧道圍巖變形規律進行了分析推理。

2.1 圍巖變形量大

圍巖主要以炭質頁巖為主，屬軟巖，局部段落為極軟巖，強度極低，自穩能力極差。加之炭質頁巖具有膨脹性、崩解性，圍巖變形量極大。受地下水等不良因素的影響，單日變形量可達5～10cm，累計變形量可達60～110cm。

2.2 圍巖變形持續周期長

一般情況下，隧道洞身開挖后，隨著支護體系的不斷完善，圍巖變形逐漸趨于穩定。而炭質頁巖隧道不同，開挖后圍巖應力重新分布，層狀結構圍巖出現裂隙，空氣、水等不良因素侵入巖體內部，致使圍巖層間粘粒膨脹，產生大量塑性變形，若不采取適當工程措施，影響范圍將不斷擴大，甚至發生突變，所以，此類圍巖變形周期長。

2.3 圍巖變形不規則性

采古隧道巖層由北傾向東，由于膨脹作用，巖層間產生法向作用力（如圖1 所示），隧道右層巖層間作用力受下部地層約束而平衡，而左側圍巖開挖后形成臨空面，無約束力，從而造成隧道左側圍巖變形普遍大于右側。炭質頁巖隧道大變形主要是由于塑性變形所致，且受水等不利因素影響，不同斷面圍巖松動范圍變化大，致使采古隧道圍巖變形所表現出的規律性不明顯。

圖1 圍巖壓力示意圖

2.4 斷層段圍巖的特殊性

采古隧道穿越斷層，而斷層是一種斷裂構造，巖層被擠壓破碎，呈塊石、碎石、角礫及斷層泥等，巖體破碎且強度低。斷層帶中由于充填物的活動性和強烈的擠壓作用，往往聚集了潛在應力，開挖后潛在應力釋放出強大的膨脹力，且斷層帶易儲存大量地下水，加之本隧道圍巖主要以具有膨脹性得炭質頁巖為主，各種不利因素疊加，造成采古隧道斷層段開挖后，圍巖穩定性極差，拱部易掉塊，甚至出現崩塌。

3 監控量測方案

根據采古隧道圍巖的以上特性，只進行周邊外移等必測項目量測遠遠不夠的，很可能造成一系列質量問題，有針對性的制定了監控量測方案很有必要。

3.1 成立監控量測小組

采古隧道圍巖變形量大，周期長，變形過程復雜。為將監控量測工作做細做實，成立了由技術骨干組成的監控量測小組，專職負責監控量測工作，并邀請地質專家作為項目技術咨詢顧問，為解決地質方面疑難問題提供技術支持。設立了采古隧道地質試驗室，負責隧道圍巖產狀量測、巖性試驗、巖石強度和圍巖含水量等試驗工作，為監控量測工作提供數據支持。

3.2 監控斷面選擇

監控斷面分為典型斷面和一般斷面兩種，典型斷面設置于有代表性圍巖的斷面上，進行圍巖周邊位移、圍巖壓力、襯砌各結構層間應力及襯砌內部應力應變等項目量測[1]。若段落內圍巖變化不明顯，該段落內只設置一般監控斷面，一般斷面只進行洞內外觀察、周邊位移和地表下沉等必測項目量測。隧道開挖后，仔細觀察圍巖狀況有無變化，并進行地質素描，如果圍巖巖性、巖體構造、含水量等發生明顯變化時，及時設置典型監控斷面，否則只設置一般斷面[2]。進入斷層后，必須設置典型監控斷面，及時進行量測數據分析，總結圍巖變形規律，確保斷層段順利施工。

3.3 監控量測項目

3.3.1 典型斷面量測項目

通過典型斷面量測數據，總結該類圍巖段落施工方法，盡可能全面掌握圍巖及襯砌受力和變形情況，量測項目包括圍巖內部變形量、圍巖壓力、初襯與二襯間接觸壓力、鋼支撐應力應變、襯砌內部應力及規范要求的周邊位移等必測項目。

3.3.2 一般斷面量測項目

一般量測項目包括洞內外觀察、周邊位移和地表下沉等常規監控量測項目，每循環洞身開挖后，通過對圍巖觀察，詳細描述圍巖狀況，并進行地質素描，及時判斷圍巖變化與否。

3.4 監控量測方法

圍巖內部變形量通過在典型斷面左拱腰、拱頂、右拱腰三個位置圍巖內部安裝位移計，量測施工不同階段和圍巖不同深度的位移情況；圍巖壓力、襯砌間壓力通過在圍巖與初襯間、初襯與二襯間相應位置安裝壓力盒進行量測；鋼支撐應力應變和二襯內部應力應變使用鋼弦測壓儀進行量測，在鋼支撐及二襯內部鋼筋骨架上安裝量測元件。在襯砌邊墻位置設立觀測孔，所用量測裝置電纜都集中至觀測孔內，并做好編號，以防混淆。一般斷面量測按規范要求頻率，用全站儀、水準儀和收斂儀等儀器進行量測。

3.5 數據采集分析

在上臺階初支施工、下臺階初支施工、仰拱開挖及封閉、二襯施工前后等不同施工節點，及時采集量測數據。為便于分析圍巖受力與變形之間的關系，必測項目數據采集盡量與選測項目同時進行。通過分析不同時段，不同部位受力和變形情況，總結受力變形規律，為及時采取工程措施和調整施工方案提供依據。

3.6 量測斷面技術總結

通過對典型斷面從洞身開挖至二次襯砌施工完成后，圍巖變形基本穩定，總結出該斷面變形規律，用以指導后續類似圍巖段落施工，對需要采取特別工程措施進行圍巖加固的段落，及時采取措施，防止造成不必要的損失。

4 結束語

通過闡述采古隧道如何根據實際圍巖狀況，制定合理的監控量測方案，對監控量測數據分析總結，發現了以下幾方面圍巖變形規律：一是圍巖及襯砌間壓力、襯砌內部應力應變、圍巖內部位移左側遠大于右側，進一步證實了該隧道圍巖變形左側大于右側這一規律。施工過程中，對左側支護加大了預留變形量，并提高支護參數；二是圍巖變形周期長，在二襯施工前圍巖內部位移、襯砌間壓力和襯砌周邊位移仍未趨于穩定，圍巖松動范圍進一步擴大，為確保施工質量，及時對圍巖進行注漿加固；三是該圍巖暴露時間越長，各項量測數據越大，變形越大。針對這一特點，開挖完成后第一時間對裸露巖面進行初噴封閉。采古隧道根據圍巖狀況，有針對性制定監控量測方案，取得了顯著效果，真正意義上做到了隧道施工的動態化控制，也為以后類似軟質圍巖隧道施工提供參考實例。