淺談地下洞室圍巖收斂變形監測的實施

朱慧敏 方義泉

信江船閘通航中心界牌航電樞紐管理處 江西 鷹潭 335000

引言

地下工程巖體表面變形是圍巖開挖后應力重新分布的直觀反映，通常是根據變形量的大小來判斷圍巖的穩定性狀態，因此圍巖收斂變形監測是洞室圍巖開挖過程中最常見的監測手段。收斂變形監測主要是量測現場圍巖的相對位移值，即圍巖壁面兩點之間距離的變化值。這是判斷圍巖性態的主要量測手段。

地下洞室圍巖周邊各點趨洞室中心的變形稱為收斂，收斂觀測是指對地下洞室壁面兩點間距離變化值進行量測。其主要監測目的有：

第一，圍巖內空變位是地下洞室圍巖應力狀態變化的最直接反映，測量圍巖內空變位量是判斷圍巖穩定性最直接的依據；

第二，根據圍巖內空變位速率為開挖圍巖二次襯砌提供合理的支護時機，指導現場圍巖支護施工。

1 監測斷面布置

本文所討論的施工期收斂監測布置形式，施工階段進行的施工安全監測，遵循洞室圍巖開挖的一般規律。根據具體的地形及地質條件有針對性地選擇合適的監測項目。錨噴支護工程收斂監控量測可按表1確定[1]。

表1 錨噴支護工程收斂監控量測表

1.1 測點的布置與數量

測點的布置與測點的數量根據工程地質條件確定。一般Ⅰ～Ⅲ圍巖較長地下洞室選擇代表性斷面進行監測，重點對Ⅳ～Ⅴ類圍巖進行監測。觀測斷面應盡可能緊隨掌子面布置，斷面間距宜大于2倍洞徑，斷面測點的數量根據圍巖等級與斷面尺寸及形狀確定，一般優先考慮布置在頂拱、拱座與圍巖邊墻。常見測線布置形式有3測點3測線，5測點6測線和5測點8測線。

1.2 測點安裝與埋設

用電錘或風鉆在選定的測點處，垂直洞壁打孔，孔徑與孔深視測樁直徑、長短和型式而定。安裝必須牢固，外露掛鉤圓環（或球頭、錐體，收斂反光片）應盡量靠近巖面，不宜出露太多。

每個測點必須用保護罩保護，保護罩應有足夠的剛度，安裝要牢固。

2 監測數據采集

應在測點首先安裝完成后盡快取得初測值。

2.1 觀測頻次

收斂觀測頻率根據圍巖的變形速率、受掌子面爆破施工影響大小等因素確定，一般新設觀測斷面的測量為1天／次，距離掌子面4倍洞徑時或測值趨于穩定時為3～5天／次，遇到特殊情況時可以增加測次[2]。

2.2 觀測方法

地下洞室圍巖收斂觀測通常采用鋼尺收斂計或精度較高的全站儀，鋼尺收斂計包括機械式和數字式兩種形式。

2.2.1 鋼尺收斂計法。機械式收斂計通過旋轉螺母測微量來調整鋼帶尺的張力到規定的張力值，通過百分表來讀長度尾數；數字式收斂計可以自動調整鋼帶尺的張力到規定的張力值，顯示屏上的讀書即是長度尾數。

2.2.2 全站儀法。使用測距1mm+2ppm以上精度的全站儀，選擇離監測斷面合適的位置設站，照準收斂反光片十字絲，當全站儀十字絲中心點與反光片中心點完全重合時測讀。在同一斷面不得挪動全站儀，由各測點測出的相對坐標求得測線長度，通過與前面測值的比較進而計算圍巖的收斂值。

采用全站儀量測圍巖收斂，較鋼尺收斂計更快捷、安全，若洞內照明條件好，測距可以達50m以上，這樣就解決了測點高度大，收斂尺不易掛鉤的難題，量測時一般不影響洞內交通。

3 監測數據計算與分析

監測數據分析結合現場圍巖支護情況，通過監測圍巖變形數據判斷支護受力狀態，指導優化圍巖支護方案及施工。

3.1 數據計算

通常現場測得的是各測點間的距離的變化，所以是兩個測點的位移之和。要得到各測點的位移，可通過計算求得近似值，如“坐標法”“聯立方程法”“余弦定理法”和“測角計算法”等方法計算[3]。

以下給出聯立方程求解法求收斂計測點的絕對位移。

3.1.1 任意三角形測點位移計算方法（3測點3測線，如圖1）。計算假設：洞壁輪車廊線上的位移為徑向位移，切向位移忽略不計；基線的角度變化忽略不計。如圖A、B、C為洞壁上的任意三個測點：

圖1 收斂監測斷面計算示意圖（3測點3測線）

圖中：l、m、n ——基線長度；

Sl、Sm、Sn——分別為l、m、n基線測得的并經溫度修正后的收斂值；

o——洞拱圓心；

H——邊墻高度；

HB——為B點至圓心垂直高度

解下列方程組可求得三測點垂直洞壁的位移，分別為ua、ub和uc：

當B點在頂拱，A、C在同一高程，則α=θ=0，上述方程為：

3.1.2 任意三角形測點位移計算方法（5測點8測線，如圖2）。地下洞室圍巖測點任意三角形布置形式的收斂變形量計算。為便于計算，首先進行幾項假設：①測點5為坐標原點，即基準點不發生位移；②測線15水平為X軸，測點1只發生水平移動；③ 測線45為Y軸，其偏斜角度忽略不計。采用固定點任意三角形法。各測點位移計算步驟如下：

圖2 收斂監測斷面計算示意圖（5測點8測線）

在△153中，以知點5（0，0），uly=0,l15,l13，l35

則有：

同上，在△532中，以知點5（0，0），點3（u3x,u3y）,l23,l25，l35

則有：

同上，在△134中，以知點1（u1x，0），點3（u3x,u3y）,l13，l14，l34

則有：

根據每次測量的測線長度，帶入方程中求得各測點相對原點（測點5）的相對坐標；求得的相對坐標減去初始坐標計算出該測點位移量，位移量的大小可作為判斷洞室圍巖變形的依據。

3.2 數據分析

一般情況下，地下洞室圍巖表面收斂變形－時間過程線主要表現為3種形式（如圖3）：逐漸衰減型、直線發展型和發散型[4]。

圖3 開挖后洞室圍巖變形分類示意圖

3.2.1 衰減型。隨著時間的增加，圍巖應力重新分布完成，或施工支護對圍巖應力分布的強力介入，圍巖的變形速率越來越小，直至最終趨于零。這種曲線表明圍巖逐漸趨于穩定的。如圖a所示時稱曲線，收斂位移隨著時間增長逐漸趨向于0，圍巖變位的收斂速度較快，一般在20天左右時達到穩定。

3.2.2 直線型。圍巖的變形速率基本不變或很少衰減，隨著時間的推移，圍巖收斂變形越來越大，圍巖松弛加大，如果不及時支護，地下洞室最后可能發展為破壞性變形，如圖b所示時程曲線。在施工期觀測中，應對此類變形重點監測，變形量達到一定值時要預警；對此類圍巖及時支護，個別發生圍巖變形突變的區域，應立即撤出人員與設備，立即停止施工。

3.2.3 發散型。圍巖收斂變形隨時間增加而增大，若不及時支護，圍巖可能發生塌方等破壞性變形，如圖c所示時程曲線。在地下洞室開挖施工中，應加強支護，防止出現此類破壞性變形，在施工監測中，圍巖變形出現此類形式，應加強監測，提前預警[5]。

4 結束語

綜上所述，地下洞室開挖中圍巖的穩定性控制是一個突出問題，不良地質段地下洞室往往面臨著圍巖變形大、變化快、事故突發等特點，積極開展現場圍巖變形量測，及時了解變形量、變形時間與規律具有重要意義。本文探討的是地下洞室圍巖收斂變形監測，通過合理布置監測點、采集監測數據，為圍巖支護提供相關建議，保證隧道工程安全性。