淺埋層狀軟巖隧道監測與控制技術研究

聶軍委

(鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

進入21世紀以來工程地質界對于軟巖的定義也有了共識[1]，并建立了較為完善的理論體系和實踐技術指南，劉志春等[2]以烏鞘嶺隧道監控量測數據，分析了擠壓性圍巖隧道大變形的基本特征和機理；何滿潮[3]針對深部軟巖工程問題，從巖石吸水、不對稱結構面、巖爆、高溫高濕的環境以及溫度-壓力耦合作用下氣體運移等方面論述了深部軟巖工程的變形破壞機理；關寶樹[4]總結了國內外控制隧道開挖后變形的基本對策：李術才等[5]就大變形的定義、分類、形成機制、判定標準及工程對策等方面進行了系統的總結和討論；李國良等[6]對烏鞘嶺隧道嶺脊地段的變形控制技術進行了研究。

1 工程地質概況

梅家溝隧道隧址區位于綿陽市平武縣白馬鄉祥述家寨東側，S205省道從隧址區通過，交通便利。隧道全長2.38 km，梅家溝隧道左線和右線均為Ⅴ級圍巖。圍巖主要為強、中風化千枚巖、炭質板巖、炭質板巖夾薄層千枚巖，裂隙發育，多為泥質充填，軟～較軟巖，巖體破碎～較破碎，巖質軟，遇水易軟化，隧道地表水主要受制于沖溝影響，地下水主要為基巖裂隙水，大多呈點滴狀為主，局部斷層破碎帶地段有涌突水。

2 監測現狀

2.1 現場監控量測概況

根據九綿高速隧道監控量測數據平臺導出的監控量測數據，繪制斷面變形速率極值和累計值如圖1所示。

分析可知，梅家溝隧道左、右洞的周邊收斂累計值普遍在150 mm以上，而拱頂下沉量累計值普遍在50 mm以上，可知該隧道收斂大變形為主，拱頂下沉較小，其量值比率在2～6之間，而對現場初支狀況的觀察，現場的初支變形破壞中的拱架連接位置受剪切和擠壓較為明顯，邊墻大面積剝落，而初支拱頂狀態較為完整，一定程度上驗證了監測結果和現場變形的匹配性。

2.2 存在問題

1)現場監控斷面及斷面測點的布設原則遵循公路隧道施工技術規范及參考了鐵路隧道監控量測技術規程，按照規范中從嚴的標準確定斷面間距和測點數量以及監測項目[7]，但是在本工程軟巖地質中，已有監測項目難以滿足工程施工需要，風險極高[8]。

2)數據預警指標沿用傳統的分析方法，即前者遵循三分點定位原則，而極限變形量的確定長期以來具有爭議，特別是軟巖大變形隧道，可參考性尚待商榷。

3)采集數據的分析方法大多采用規范給定的作圖法，但在軟巖隧道中，該方法不僅沒有考慮開挖到布點之間的圍巖發生的沉沒變形，而且對于流變性較為明顯的地質中，變形不穩定問題，即無法通過回歸分析確定穩定值，因此同樣需要對數據分析進行優化。

3 優化監測方案

為提高施工監測的質量，提供有效、合理的結論和建議，切實評價現場作業效果，指導和優化施工方案，對目前的監控方案進行了優化，對隧道單點三維變形、單點徑向變形進行開展量測，并現場針對收斂變形及時預警做了研究。

3.1 隧道單點位移三維量測設備研制

單點位移三維量測裝置如圖2所示。

本量測裝置是由錨固模塊、基點傳導模塊、位移量測模塊和封閉模塊組成，錨固模塊是由樹脂藥卷或水泥藥卷錨固劑與錨固管組成，可與巖體牢固粘合；基點傳導模塊與錨固模塊螺紋連接；位移量測模塊采用分離式機械法量測，其中一根剛性桿件作為水平橫向位移量測基點，延伸至擴大孔中，另一根作為水平縱向和豎向位移的量測基點，采用激光燈和方格板直觀顯示當前的沿隧道縱向和豎向的位移量值；封閉模塊可有效保護裝置免受外力損傷。

3.2 數據統計分析建議

針對梅家溝隧道前期所積累的部分監控量測的資料，以次為基礎，且可不斷添加新的資料為依托，采用概率統計的方法進行分析，以獲取不斷完善的、有量值判斷價值的變形門檻值。

1)對監測到的變形，可分類為拱頂下沉和各斷面的收斂，這些值又可分為累計值和速率值。2)對電子表格Excel上的數據按變形量(或變形速率)的大小自動進行排序，測試次數，可用Ni來表示，這時每一測試值對應的Ni=1。3)對已排序的變形(或變形速率)值，按圖1所示從小到大等分劃分為若干變形段，一般分為10段～30段，可以統計每個變形段的Ni值，這時Ni值一般為等于或大于1。4)以各個柱狀變形的中心點為變形值(mm)，縱坐標值Ni不變，這時的縱坐標Ni應去掉下標i而改為N值,它的物理意義為:小于某個變形量實測的次數，再次進行計算，計算得到每個變形區間中的分布概率。

3.3 應用案例

基于該結構可靠度原理[9]，對支護結構的破壞監控值進行統計，從開工監控初始斷面開始建立該支護形式下結構可靠度概率分布圖，如圖3所示。

該方法的優點是統計的數據來自實際工程，它綜合考慮了不同的巖性、不同的儀器誤差、不同的施工技術、不同的人員水平的共同影響[10]，且這個統計關系隨著工程進度和監控量測數據的增加是可不斷完善而變得更加可信，無限接近于極限位移值。

結合梅家溝隧道具體施工工況，選取5%，10%，15%三個超越概率，確定預警級別，分別為紅色預警、橙色預警、黃色預警，并反推其預警門值如表1所示。

通過數理統計分析得到的不同超越概率下的預警門值與相關規范相對比，可知該預警體系相對寬松，與現場新奧法施工更相匹配，在保證現場安全施工和進度的前提下，極大程度上降低了預警停工頻率。

4 支護對策優化分析

針對軟巖大變形的技術難題，現場進行了大量探討和嘗試，形成優化支護方案，如表2所示，并針對此方案進行了數值模擬和現場試驗。

表2 梅家溝隧道優化支護方案

4.1 數值模擬分析

隧道開挖作為典型的三維空間問題，本模擬方案采用優化方案的支護工藝流程。模擬順序為先執行開挖1.5 m進尺，安裝鋼拱架，在隧道上部掘長度為4.5 m，直徑42 mm的孔，安裝注漿導管，形成超前預支護罩，然后在兩相鄰鋼拱架之間施作噴射混凝土，最后在掘進工作面前方安裝水平錨桿。

通過對隧道關鍵點(拱頂、隧底、拱腰、隧道地表)的豎向位移進行監測，除隧底發生豎向隆起外，其余均呈現相似規律的下沉，其中地表下沉量最大為15 mm。

如圖4所示，在隧道周邊發生大范圍的塑性屈服，其中隧底范圍最大達9.8 m，開挖面前方5 m處以及邊墻深部6 m處均發生塑性破壞，施加優化支護方案后，錨桿所形成的拱效應有效利用了塑性區圍巖的承載拱，對圍巖發揮良好的支撐束縛作用，而鋼拱架和噴射混凝土則有效發揮了承壓作用。

對比圍巖塑性區分布，對初期支護的受力進行了計算，結果如圖5所示，初期支護受力不均勻，范圍在2 000 N·m～8 890 N·m，并且在開挖節點處受力較大，應力集中現象不明顯。通過對超前錨桿的受力進行計算，得到如圖6所示結果，錨桿最大軸力為180 kN，錨桿所受圍巖最大的剪力為114 kN，結果表明，超前錨桿發揮作用比較充分，有效利用了錨桿的承載性能，一定程度上減輕了初期支護的圍巖壓力，在初期支護形成有效的支護結構之前，保障了巖體的穩定。

4.2 現場試驗段監測

通過對現場淺埋層狀軟巖分布典型的里程作為試驗段，實施優化方案之后的初支變形監測結果如圖7所示。針對試驗斷面進行39 d監測結果顯示，周邊收斂速率預警出現7次，量值是8.9 mm/d，拱頂下沉尚未出現預警，日最大下沉量值為4.6 mm/d，且在20 d后出現穩定趨勢，累計變形量大幅度降低，其中周邊收斂累計變形量為111 mm，拱頂下沉變形量為63.6 mm，相較于優化前440 mm和150 mm，降低幅度分別為74.5%和58%，試驗段監測數據和現場較好的支護狀態驗證了優化方案的可行性。

5 結語

1)隧道監控量測針對不同地質確定主要項目對于指導現場施工具有重要意義，本文提出的隧道單點三維變形量測有效解決了隧道偏壓監測難題，并對不同部位根據數據量采用不同的支護措施。

2)工程可靠度概念分析有效降低了現場預警頻率，提升了監控數據對設計和施工的科學化、合理化。

3)本文所提出的各工序的支護參數，使各支護單體形成有效的協同作用整體，共同抑制了圍巖的有害變形，保證了支護結構的穩定。