公路隧道變形規(guī)律分析

汪 洋

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

0 引言

隧道施工過程是一個極其復(fù)雜的力學(xué)過程，由于隧道的開挖，破壞了圍巖的受力平衡狀態(tài)，將引起開挖斷面一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力的重分布和殘余應(yīng)力的釋放。在應(yīng)力重分布的影響下，圍巖發(fā)生變形、形成松弛[1-2]，進而可能造成圍巖碎落、崩塌甚至塌方等地質(zhì)災(zāi)害，存在明顯的安全隱患。監(jiān)控量測是隧道施工過程中保證施工安全的有效措施之一，通過分析現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，可以得到圍巖的變形規(guī)律，推測出圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計并為同類工程提供參考[3]。本文根據(jù)羅八高速公路工程特點，分別選取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖典型斷面的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到了三種典型斷面圍巖的變形規(guī)律以及二襯的最佳支護時機。

1 工程概況

依托工程K56+700～K63+200段屬峰叢洼地地貌，路線范圍內(nèi)上部主要分布第四系人工填土(Q4me)、第四系坡殘積層(Q4el+dl)地層，下伏基巖為三疊系個舊組第四段(T2gd)地層。下伏基巖為灰色塊狀白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r，多呈強-中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育，巖層近乎水平，邊坡穩(wěn)定性較好，工程地質(zhì)條件較好。K63+200～K69+798段處于侵蝕深切山地貌，路線穿越地段地形起伏較大，上部主要分布第四系坡殘積層(Q4el+dl)，其下部為三疊系中統(tǒng)河口組(T2hb)粉、細砂巖、石英砂巖、頁巖、泥巖。三疊系中統(tǒng)河口組(T2hb)巖性多為粉、細砂巖、頁巖，斜坡上多有出露，多呈強風(fēng)化，節(jié)理(風(fēng)化)裂隙發(fā)育，多呈碎石狀散體結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，易發(fā)生小規(guī)模坍滑。

2 隧道圍巖監(jiān)控量測

2.1 監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測頻率

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660-2020)(以下簡稱《規(guī)范》)[4]以及工程的實際情況，拱頂沉降和周邊收斂均采用全站儀進行測量，測點布置如圖1所示，監(jiān)測頻率如表1所示。

表1 各監(jiān)測項目的監(jiān)測頻率表

圖1 監(jiān)測點布置示意圖

2.2 監(jiān)控量測結(jié)果

根據(jù)依托工程特點，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別選取K58+200、K63+330和K68+550三個典型斷面，為了便于分析，僅選擇拱頂位置的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。3個典型斷面的時態(tài)曲線如下頁圖2～4所示。

圖2 K58+200斷面時態(tài)曲線圖

圖3 K63+330斷面時態(tài)曲線圖

圖4 K68+550斷面時態(tài)曲線圖

K58+200斷面為Ⅲ級圍巖，采用全斷面法開挖，拱頂沉降在開挖之后0～8 d快速增加，約占總變形量的80%，然后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩(wěn)定。K63+330斷面為Ⅳ級圍巖，采用上下臺階法開挖，拱頂沉降主要集中在仰拱施作完成之前、開挖之后0～15 d，約占總變形量的85%，仰拱施作完成后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩(wěn)定。K68+550斷面為Ⅴ級圍巖，圍巖整體較破碎，采用三臺階法開挖，拱頂沉降的總變形量較大，仰拱施作完成約10 d后變形速率逐漸減小，變形量趨于穩(wěn)定。

通過對比三種不同圍巖條件下拱頂沉降的時態(tài)曲線可以得出以下規(guī)律：(1)隨著圍巖等級不斷變差，拱頂沉降的總變形量和變形收斂時間都逐漸增加；(2)監(jiān)測斷面每次巖體的開挖都會有一個明顯的位移增加的階段；(3)Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖，變形量主要集中在0～8 d，Ⅳ級圍巖采用兩臺階法開挖，變形在仰拱施作完成之后趨于收斂，而Ⅴ級采用三臺階法開挖，由于開挖步較多，施作仰拱的時間相對較長，因此變形趨于穩(wěn)定的時間較長，在仰拱施作完成約10 d后變形趨于穩(wěn)定。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

3.1 監(jiān)控量測結(jié)果回歸分析

監(jiān)控量測值由于偶然誤差的影響具有一定的離散性，通過對數(shù)據(jù)結(jié)果進行回歸分析，能更客觀地反映監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和判斷監(jiān)測斷面變化趨勢[5]。

根據(jù)拱頂變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)選擇指數(shù)函數(shù)進行擬合分析，指數(shù)函數(shù)的通式如式(1)所示：

y=y0+Ae-x/t

(1)

式中：y0，A，t——回歸函數(shù)擬合參數(shù)；

x——時間。

3個典型斷面拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合曲線如圖5～7所示。

K58+200斷面的拱頂下沉的擬合函數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)分別如式(2)、式(3)所示：

y=18.61-18.35e-x/7.86

(2)

R2=0.99

(3)

K63+330斷面的拱頂下沉的擬合函數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)分別如式(4)、式(5)所示：

y=59.44-57.46e-x/16.67

(4)

R2=0.98

(5)

圖5 K58+200斷面擬合函數(shù)曲線圖

圖6 K63+330斷面擬合函數(shù)曲線圖

圖7 K68+550斷面擬合函數(shù)曲線圖

K68+550斷面的拱頂下沉的擬合函數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)分別如式(6)、式(7)所示：

y=153.59-150.90e-x/22.27

(6)

R2=0.98

(7)

3個典型斷面的擬合結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)均>0.95，說明采用指數(shù)函數(shù)能較好地擬合拱頂下沉的規(guī)律。

3.2 二襯支護時機分析

根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范，二襯支護最佳時機一般由變形速率和極限位移確定[6]。變形位移法把圍巖的變形速率小于一定值后作為二襯的合理支護時機?！兑?guī)范》中規(guī)定：變形位移速率<0.2 mm/d。極限位移則首先根據(jù)圍巖的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測圍巖的最終變形量確定，目前一般取二襯最佳時機為已產(chǎn)生的各項位移達到各項位移預(yù)計總量的80%～90%時[7]。結(jié)合隧道現(xiàn)場監(jiān)測情況，選取圍巖最終變形量的80%作為二襯最佳支護時機，3個典型斷面的最佳支護時機如表2所示。

表2 典型斷面二襯最佳支護時機表

4 結(jié)語

本文通過分析依托工程3個典型監(jiān)測斷面圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了不同圍巖級別條件下圍巖的變形規(guī)律和二襯支護時機，主要結(jié)論如下：

(1)圍巖等級越差，圍巖的變形越大，變形趨于穩(wěn)定的時間越長，Ⅲ級圍巖開挖之后約8 d變形趨于穩(wěn)定，Ⅳ級圍巖在仰拱施作完成之后變形趨于穩(wěn)定，Ⅴ級圍巖在施作仰拱約10 d左右趨于穩(wěn)定。

(2)采用指數(shù)函數(shù)對三個典型斷面的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，得到了時間-位移函數(shù)。

(3)通過擬合函數(shù)并結(jié)合相關(guān)規(guī)范得到了三種典型斷面的二襯最佳支護時機，Ⅲ級圍巖建議為開挖之后13 d，Ⅳ級圍巖建議為開挖之后27 d，Ⅴ級圍巖建議為開挖之后36 d。