某隧洞圍巖變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素有：開挖卸荷、震動(dòng)、圍巖巖性、強(qiáng)度、完整性、地下水活動(dòng)狀態(tài)等，變形是其主要表現(xiàn)形式[1]。洞室開挖后，由于圍巖所處環(huán)境發(fā)生改變，并根據(jù)環(huán)境變化程度作出不同性質(zhì)的響應(yīng)，導(dǎo)致監(jiān)測物理量隨時(shí)間不斷變化。通過分析洞室圍巖松弛圈厚度變化、沉降收斂變形規(guī)律和發(fā)展趨勢，預(yù)測圍巖穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、指導(dǎo)安全快速施工等提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1 工程概況

某輸水隧洞位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內(nèi)，全長32.12km，最大埋深220m，采用傳統(tǒng)鉆爆法開挖，全斷面施工，為城門洞型，為無壓洞。地表多為緩隆起剝蝕低山區(qū)，穿越地層主要為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)，以凝灰質(zhì)砂礫巖、安山巖、火山角礫熔巖為主，為火山碎屑沉積巖組合及中基性熔巖，局部見中酸性熔巖。

本文主要對樁號25+612- 25+712段進(jìn)行變形監(jiān)測分析，揭露巖性主要為凝灰質(zhì)砂礫巖，灰白色，弱風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，膠結(jié)一般；其中礫石含量約占30%，一般粒徑0.5～5cm，最大粒徑10cm。礫石磨圓度較好，呈亞圓形。現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度為10～30MPa，為軟巖-較軟巖。洞室節(jié)理較發(fā)育，水平狀薄層理較發(fā)育。洞室?guī)r體完整性差-較破碎。地下水活動(dòng)狀態(tài)：滴水-線流。施工期樁號25+612- 25+648為Ⅳ類圍巖，樁號25+648- 25+712為Ⅴ類圍巖，基本與設(shè)計(jì)一致。該巖石具有一定的親水性、重塑性、強(qiáng)度低容易變形等特點(diǎn)，圍巖自穩(wěn)能力較差，施工中容易受爆破震動(dòng)、卸荷等影響發(fā)生局部失穩(wěn)破壞，應(yīng)及時(shí)一次支護(hù)[3]。

2 現(xiàn)場變形監(jiān)測方法

2.1 干孔聲波測試法

在斷面徑向拱頂、起拱處、腰墻適當(dāng)布置5個(gè)測試孔，孔深依據(jù)洞室斷面大小、揭露地質(zhì)情況確定，以揭示一定深度的原巖應(yīng)力為準(zhǔn)。每個(gè)斷面依次測試8次，觀測時(shí)間約15d。用以測定巖石中波速及松弛圈范圍[4]。

2.2 多點(diǎn)位移計(jì)觀測

本段共安裝5組多點(diǎn)位移計(jì)，每組3個(gè)錨頭，分別測定徑向1、3、5m點(diǎn)處圍巖的位移，約觀測20次[5]。

2.3 收斂及沉降觀測

斷面的測線采用3點(diǎn)3線法形式布置，拱頂點(diǎn)同時(shí)作為沉降觀測點(diǎn)，根據(jù)已揭露地質(zhì)條件、圍巖類別、支護(hù)形式及圍巖的時(shí)空效應(yīng)等，共布置5個(gè)收斂觀測斷面，觀測次數(shù)約30次，觀測時(shí)間約30d[6]。

2.4 巖石含水率測試

隨隧洞開挖的進(jìn)行隨機(jī)取樣與制作，稱重，在溫度為105～110℃的烘箱內(nèi)放置24h，再放置于干燥器中冷卻至常溫，稱重后計(jì)算含水率[7]。

2.5 洞室環(huán)境溫度與濕度測試

在不同部位及不同施工工序測度出現(xiàn)場環(huán)境溫度與濕度，觀測時(shí)間約20d。

3 觀測結(jié)果及分析

3.1 觀測結(jié)果

3.1.1圍巖的松弛特性

松弛巖體波速為1500～2300m/s，原始巖體波速一般為2800～3200m/s。洞室爆破開挖后，巖體受爆破震動(dòng)瞬時(shí)應(yīng)力釋放影響，洞壁巖體隨即出現(xiàn)約1m的松弛帶。隨時(shí)間的延續(xù)，洞壁巖體松弛厚度逐漸增長，距開挖約72h內(nèi)洞壁巖體松弛速度最大，72～300h速度逐漸變緩，超過300h后洞壁巖體松弛圈不再發(fā)展，即趨于穩(wěn)定。隨著測試斷面與掌子面距離增大，洞周松弛圈巖體的厚度也在逐漸增加，當(dāng)距離小于15m時(shí)松弛速度最快，當(dāng)距離15～45m時(shí)速度逐漸變緩，當(dāng)距離超過45m松弛速度基本為0，說明松弛圈停止發(fā)展[8]。

3.1.2圍巖的位移特性

當(dāng)觀測斷面與掌子面距離在40～260m時(shí)，圍巖總變形量小，變化量也很小，且受洞內(nèi)濕度、環(huán)境溫度等影響較小，說明隨開挖的進(jìn)行圍巖逐漸穩(wěn)定。

3.1.3圍巖沉降收斂特性

當(dāng)觀測斷面與掌子面距離大于100m時(shí)，沉降收斂變形基本為0。實(shí)際測得5個(gè)斷面中，收斂變形范圍為8.1～18.9mm，沉降變形范圍為8.9～19.9mm，總變形量較小。拱頂沉降較收斂變形稍大，Ⅴ類圍巖變形比Ⅳ類圍巖稍大，沉降收斂變形與環(huán)境溫度、濕度關(guān)系不大，當(dāng)觀測斷面距離掌子面超過30m時(shí)圍巖基本穩(wěn)定[9]。

3.1.4巖石含水率、環(huán)境溫度與濕度

巖石含水率主要與原巖所處地下水環(huán)境有關(guān)，該段試樣含水率為6%～11%。洞室溫度一般較為穩(wěn)定，隨埋深、洞內(nèi)施工工序、通風(fēng)、地下水活動(dòng)狀況等略有差別，該段溫度在15～22℃之間變化，濕度在40%～70%之間[10]。

3.2 觀測成果分析

3.2.1圍巖的松弛圈厚度

圍巖受到爆破震動(dòng)、卸荷等因素的影響產(chǎn)生不同程度的松弛變形，Ⅳ類圍巖松弛圈厚度為0.67～1.15m，Ⅴ類圍巖為1.07～1.97m，見表1。

表1 圍巖松弛圈測量結(jié)果

3.2.2圍巖的沉降收斂變形

從測量結(jié)果來看，圍巖并無嚴(yán)重的擠壓膨脹變形現(xiàn)象，主要為卸荷后的松弛變形，且沉降收斂變形主要發(fā)生在初期，后期未觀測到持續(xù)性的蠕變，且通過趨勢線分析圍巖將逐漸趨于穩(wěn)定。選取2個(gè)有代表性的收斂變形斷面，如圖1—2所示。

圖1 樁號25+637斷面圍巖收斂變形

圖2 樁號25+662斷面圍巖收斂變形

圍巖總沉降收斂變形量均較小，5個(gè)觀測斷面中，沉降量在8.9～19.9mm，收斂在8.1～18.9mm，最大相對位移量小于0.4%，最大收斂變形量/洞徑小于0.4%，屬于是小變形，見表2。

表2 圍巖沉降收斂變形監(jiān)測成果

3.3 根據(jù)測量成果分析初期支護(hù)時(shí)機(jī)

3.3.1根據(jù)巖體波速的變化分析一次支護(hù)時(shí)機(jī)

對于Ⅳ類圍巖，在初始測試時(shí)刻，表層波速為2300m/s，約為原巖波速的58%，隨時(shí)間發(fā)展松弛圈增大，隧洞表層波速仍小幅度降低，當(dāng)松弛過程基本完成后，表層波速變?yōu)?600m/s，約為原巖波速的40%。當(dāng)波速降為原巖的80%時(shí)，距離初始測試時(shí)間約為60h，與掌子面距離為20～30m。Ⅴ類圍巖與Ⅳ類圍巖的變化趨勢相近，但波速降低幅度更大松弛圈變形穩(wěn)定所需時(shí)間更長，初始表層波速為1400m/s，約為原巖波速35%。當(dāng)波速為原巖80%時(shí)，距初始測試時(shí)間80～100h，距離掌子面30～40m[11]。

3.3.2根據(jù)松弛圈厚度分析一次支護(hù)時(shí)機(jī)

對于Ⅳ類圍巖，在初始測試時(shí)刻圍巖瞬時(shí)松動(dòng)變形已完成約45%，當(dāng)完成松動(dòng)圈80%的時(shí)間約為80h，此時(shí)距離掌子面距離約為15m，如圖3—4所示。

圖3 樁號25+632斷面圍巖松弛程度與時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖4 樁號25+632斷面圍巖松弛程度與掌子面距離變化關(guān)系曲線

對于Ⅴ類圍巖，在初始測試時(shí)刻圍巖瞬時(shí)松動(dòng)變形已完成約80%，當(dāng)完成松動(dòng)圈90%的時(shí)間約為60h，此時(shí)距離掌子面距離約為45m，如圖5—6所示。

圖5 樁號25+661- 25+671段松弛程度與時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖6 樁號25+661- 25+671段松弛程度與掌子面距離關(guān)系曲線注：圖3—6公式中，E—自然對數(shù);R2—擬合優(yōu)度。

3.3.3根據(jù)收斂變形情況分析一次支護(hù)時(shí)機(jī)

某隧洞洞型為圓拱直墻式，開挖裸洞直墻高度4.6m，最大凈高6m，寬度5.3m，計(jì)算時(shí)取洞徑5.5m，埋深約200m。Ⅳ類允許位移值為0.4%～1.2%，實(shí)際測得最大相對位移值為0.13%～0.19%；Ⅴ類類允許位移值為0.6%～1.6%，實(shí)際測得最大相對位移值為0.32%～0.38%，從觀測數(shù)據(jù)來看，各斷面變形量整體在可控范圍內(nèi)，且逐漸趨于穩(wěn)定。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖一次支護(hù)的目的在于保證圍巖穩(wěn)定性，防止變形發(fā)展。

表3 隧洞圍巖允許相對位移值 單位：%

對于Ⅲ類圍巖一次支護(hù)僅采用噴混的隧洞，當(dāng)沉降收斂變形一直無明顯減小趨勢，且出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，須采取加強(qiáng)支護(hù)措施，并修改原設(shè)計(jì)參數(shù)：①洞室表層出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展，且伴隨脫落掉塊現(xiàn)象；②當(dāng)表層實(shí)測收斂相對位移量達(dá)到表3允許值的70%時(shí)；③用回歸曲線計(jì)算得到的相對位移值即將達(dá)到或接近允許相對位移時(shí)。對于Ⅲ類圍巖一次支護(hù)重點(diǎn)是防止掉塊、塌方的發(fā)生，應(yīng)盡快錨噴[12]。

4 結(jié)論及建議

(1)對于該地區(qū)隧洞埋深約200m洞段，Ⅳ、Ⅴ類圍巖巖石松動(dòng)圈厚度約2m，沉降收斂變形均可控。變形具有明顯的流變性，即初始變形量和速率較大，經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，圍巖整體穩(wěn)定性較好。

(2)圍巖變形主要發(fā)生在開挖后48h內(nèi)，且初期變形較大、較快。Ⅳ、Ⅴ類圍巖自穩(wěn)能力較差，一次支護(hù)應(yīng)在開挖后圍巖未發(fā)生明顯變形的情況下及時(shí)進(jìn)行。

(3)通過施工期圍巖變形監(jiān)測，分析圍巖變形規(guī)律及發(fā)展趨勢，評價(jià)圍巖穩(wěn)定性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、指導(dǎo)安全快速施工等提供科學(xué)依據(jù)。

(4)現(xiàn)有隧洞地質(zhì)條件、監(jiān)測資料具有一定局限性，還需根據(jù)進(jìn)一步施工地質(zhì)編錄及持續(xù)圍巖變形監(jiān)測資料等成果動(dòng)態(tài)跟蹤分析和預(yù)測。