大斷面隧道圍巖監(jiān)測(cè)及變形規(guī)律研究

唐民

摘要：為研究大斷面隧道圍巖變形特征，在詳細(xì)介紹圍巖大斷面隧道的施工方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)施工流程以及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)設(shè)置。最后為揭示圍巖的變形特性，選取IV級(jí)圍巖斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，主要結(jié)論如下：隧道圍巖拱頂沉降和水平收斂的變化規(guī)律，可通過(guò)指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)進(jìn)行擬合，其中指數(shù)函數(shù)的擬合效果最優(yōu)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的曲線可以預(yù)測(cè)隧道圍巖最終的變形量。28d后圍巖變形基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行后續(xù)二襯施工。

關(guān)鍵詞：大斷面隧道；圍巖變形；拱頂下沉；水平收斂

0? ?引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和施工技術(shù)的不斷精進(jìn)，地下空間的利用與開(kāi)發(fā)得到了空前發(fā)展[1]。由于交通量的不斷增加，現(xiàn)有單雙線隧道已經(jīng)難以滿足交通發(fā)展的需求，在此背景下，大斷面隧道工程開(kāi)始涌現(xiàn)，隧道建設(shè)逐漸向大斷面過(guò)度[2-3]。

針對(duì)大斷面公路隧道圍巖變形特征的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法、室內(nèi)模型試驗(yàn)法、數(shù)值模擬以及力學(xué)解析法等[4-5]。目前，我國(guó)已有大量學(xué)者對(duì)于大斷面隧道的施工及變形規(guī)律開(kāi)展了研究工作，并取得了豐富的成果。朱曉寧等[6]采用層次分析法和專家調(diào)查法，對(duì)某超大斷面隧道項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，揭示了施工風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)源之間的內(nèi)在聯(lián)系。翟煒等[7]將BIM技術(shù)應(yīng)用于超大斷面隧道施工中，實(shí)現(xiàn)了隧道施工過(guò)程的可視化管理。李先彬等[8]在某大斷面隧道施工時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，明確了地表沉降以及圍巖變形特性。

本文依托某隧道工程施工為背景，在概述大斷面施工工法基礎(chǔ)上，開(kāi)展圍巖變形監(jiān)控測(cè)量工作，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)，揭示大斷面隧道圍巖的變形特性，相關(guān)研究成果可為相似大斷面隧道工程提供參考。

1? ?工程背景

某隧道工程全長(zhǎng)2198m，B2標(biāo)左洞長(zhǎng)988m，右洞長(zhǎng)942m。隧道內(nèi)輪廓采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，拱部采用半徑為840cm的半圓，邊墻為半徑為505cm的大半徑圓弧，仰拱與側(cè)墻間用半徑為200cm的小半徑圓弧連接，仰拱半徑為2200cm。主洞路面寬13m，拱頂凈空高度8.0m。緊急停車(chē)帶段路面寬度16m，拱頂凈空高度8.789m，隧道內(nèi)縱坡-0.789%。隧道主洞凈空斷面如圖1所示。

該隧道所處地質(zhì)情況較復(fù)雜，部分隧道位于軟弱圍巖地段，施工難度較大，施工工藝較復(fù)雜。此外，地勘資料顯示，隧道工點(diǎn)所處區(qū)域地形較為起伏，坡面殘積層分布廣泛，邊坡坡度約為15～25°之間，邊坡表面植被發(fā)育良好。

2? ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

2.1? ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)施工流程

由于大斷面隧道施工的復(fù)雜性和特殊性，在施工過(guò)程中，需要結(jié)合洞外觀測(cè)與隧道內(nèi)部測(cè)量數(shù)據(jù)，確定隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，并以此確定最終的施工方法。

岐嶺隧道按新奧法原理組織施工，在施工時(shí)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的變形監(jiān)測(cè)，基于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，全面掌握隧道施工信息，及時(shí)監(jiān)控圍巖的穩(wěn)定性，以此來(lái)保證隧道工程能夠安全、快速的推進(jìn)。具體的測(cè)量施工流程如圖2所示。

2.2? ?主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合岐嶺隧道的工程特點(diǎn)，明確施工期間的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地質(zhì)及支護(hù)狀況觀測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)、水平收斂以及地表沉降觀測(cè)。其中，地質(zhì)及支護(hù)狀況觀測(cè)僅在開(kāi)挖后和初期支護(hù)后進(jìn)行。拱頂沉降和水平收斂需監(jiān)測(cè)整個(gè)隧洞，地表下沉則主要布置于洞口淺埋段。

2.3? ?監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置

在進(jìn)行拱頂沉降和水平收斂測(cè)量時(shí)，選取全站儀搭配反光片進(jìn)行圍巖變形的監(jiān)測(cè)。拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)布置于隧洞拱頂軸線處，水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)則布置于隧洞軸線兩側(cè)，并保持其在同一水平線上。此外，在布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量保證水平和豎向監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于同一斷面上，具體測(cè)點(diǎn)及測(cè)線的布置如圖3所示。

3? ?監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析

本文主要研究的是岐嶺隧道施工過(guò)程中圍巖的變形情況，因此選取最為直觀的隧洞拱頂沉降和水平收斂測(cè)線位移量的變化進(jìn)行分析研究，以此揭示開(kāi)挖后隧道圍巖沉降變形特性，從而進(jìn)一步評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。由于監(jiān)測(cè)數(shù)量過(guò)于龐大，本文著重選取IV級(jí)圍巖區(qū)段的變形特性進(jìn)行深入分析。

3.1? ?IV級(jí)圍巖區(qū)段拱頂變形特性分析

選取IV級(jí)圍巖區(qū)段的斷面K58+160的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)拱頂沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。拱頂位移隨時(shí)間的變化規(guī)律及擬合曲線如圖4所示。

由圖4分析可知，針對(duì)IV級(jí)圍巖斷面，拱頂位移的沉降規(guī)律，可以使用指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)進(jìn)行擬合。綜合相關(guān)系數(shù)及殘差平方和等參數(shù)，得出指數(shù)函數(shù)的擬合效果最好，其擬合方程如下：

H=30.88983（1-e-1.13872t）? ? ? ? ? （1）

該擬合方程的相關(guān)系數(shù)為0.998，殘差平方和為0.0868。根據(jù)該擬合方程進(jìn)行計(jì)算，最終得出K58+160斷面隧道預(yù)測(cè)的最終拱頂沉降位移約為30.89mm。

根據(jù)《江西省普通公路施工標(biāo)準(zhǔn)化指南》中提出的圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)，斷面埋深50～150m的IV級(jí)圍巖隧道的容許變形量為0.4%～1.2%。而K58+160該斷面隧洞的開(kāi)挖高度約為11.36m，拱頂相對(duì)位移為0.2719%，在規(guī)范容許區(qū)間，說(shuō)明可以正常施工。

該斷面的拱頂下沉速率曲線如圖5所示。由圖5可知，圍巖變形主要集中于14d之前，隨后變形速率明顯降低。由此可以推斷出監(jiān)測(cè)28d后，沉降速率小于0.1mm/d，據(jù)此認(rèn)為此時(shí)拱頂下沉已經(jīng)基本穩(wěn)定。

3.2? ?IV級(jí)圍巖區(qū)段水平收斂變形特性分析

斷面K58+160測(cè)線2的水平收斂隨時(shí)間的變化規(guī)律及擬合曲線如圖6所示。由回歸分析可知，水平收斂的擬合曲線，同樣為指數(shù)函數(shù)擬合的效果最佳，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也最為接近，其擬合方程如下：

H=27.648（1-e-0.13107t）? ? ? ? ? （2）

該擬合方程的相關(guān)系數(shù)為0.99519，殘差的平方和為0.2273。根據(jù)擬合方程，預(yù)測(cè)K58+160斷面的最終水平收斂位移值約為27.648mm。根據(jù)規(guī)范中的圍巖變形控制要求，該斷面的水平收斂變形值滿足規(guī)范要求，具體計(jì)算方法同上。

K58+160斷面的水平收斂速率如圖7所示。由圖7可知，根據(jù)水平收斂速率曲線可以預(yù)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)約23d之后，水平收斂速率小于0.2mm/d，基本可以認(rèn)為水平收斂已經(jīng)趨向穩(wěn)定。

綜上所述，對(duì)于IV級(jí)圍巖的拱頂下沉和水平收斂的變化特性分析可知，使用指數(shù)函數(shù)擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的效果最佳，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最為吻合。根據(jù)擬合方程可以對(duì)不同方向的圍巖變形加以預(yù)測(cè)。基于本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，判斷出K58+160斷面開(kāi)挖后約28d，圍巖基本滿足二襯施工要求，該結(jié)果能夠有效提出二襯結(jié)構(gòu)施工的最佳時(shí)間。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

艱險(xiǎn)山區(qū)隧道工程開(kāi)挖斷面大，圍巖應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，一旦施工方法不當(dāng)，會(huì)誘發(fā)圍巖的破壞，嚴(yán)重影響隧道工程的安全進(jìn)行。為研究大斷面隧道圍巖變形特征，在詳細(xì)介紹圍巖大斷面隧道的施工方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)施工流程以及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)設(shè)置。最后為揭示圍巖的變形特性，選取IV級(jí)圍巖斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，主要結(jié)論如下：

圍巖變形隨時(shí)間的變化規(guī)律可通過(guò)指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)擬合，其中指數(shù)函數(shù)效果最好。

基于最優(yōu)的擬合曲線可以預(yù)測(cè)隧洞圍巖的最終變形量，拱頂沉降最大值為30.89mm，水平收斂的最大值為27.648mm。

施工過(guò)程中，隧道的變形量均滿足規(guī)范要求，在監(jiān)測(cè)28d后，圍巖變形基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行二襯施工。

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