基于現場監測圍巖變形特性分析及支護措施研究

摘要：以胡林家隧道為例，通過現場監測的方法對隧道圍巖變形特性進行了深入研究，并據此提出了相應的支護措施，確保隧道安全、穩定、正常運行。研究結果表明：在時間特性方面，拱頂沉降呈現出急劇沉降、緩慢沉降和沉降趨于穩定的3個階段，急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%。取3個不同斷面監測數據分析可知，圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大。周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3。埋深和變形之間不存在明顯的對應關系，這是由于地應力的影響，致使埋深對變形的影響不夠明顯。采取初期支護和超前支護結合的措施后，3個斷面的拱頂沉降、周邊收斂量相比支護前分別減小了一半以上，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

關鍵詞：現場監測；拱頂下沉；周邊收斂；圍巖變形特性；支護措施

0" "引言

在當今的地下工程領域，隧道工程作為一種重要的交通基礎設施[1]，其建設規模和復雜程度不斷增加。然而，隧道施工過程中面臨著諸多挑戰，其中圍巖變形問題是影響隧道施工安全和長期穩定性的關鍵因素之一。

現場監測作為研究圍巖變形特性的重要手段，能夠直接獲取圍巖在施工過程中的實際變形數據，真實反映圍巖的力學行為和變形規律[2]。同時，也能夠對隧道支護措施的合理性和有效性進行評估，并為支護方案的優化提供科學指導，從而確保隧道施工過程中的圍巖穩定和施工安全。

目前，很多國內外學者針對圍巖變形特性進行了大量研究工作。他們通過理論分析建立了各種圍巖力學模型，利用數值模擬方法研究不同工況下圍巖的應力應變分布和變形規律，以預測圍巖變形[3]。其中齊震明等[4]探討了圍巖變形與隧道埋深、地址情況、開挖方式的關系。

由于隧道工程的復雜性和地質條件的多樣性，上述研究中，理論分析和數值模擬往往難以完全準確地描述實際工程中的圍巖變形情況，現場監測數據的重要性愈發凸顯?；诖?，本文以胡林家隧道為研究背景，采用現場監測的方法，對隧道施工過程中圍巖的變形特性進行系統分析。

1" "工程概況

擬建胡林家隧道位于臨夏回族自治州積石山縣寨子溝鄉陽洼山村至胡林家鄉胡家坡，線路采用分離式隧道通過。左幅設計起點里程樁號為ZK26+026m，設計終點里程樁號為ZK26+937.244m，隧道全長911.244m，最大埋深約為159m。右幅設計起點里程樁號為YK26+015m，設計起點洞底高程2333.52m，設計終點里程樁號為YK26+915m，設計終點洞底高程2249.76m，隧道全長900m，最大埋深約為153m。設計凈空寬度為10.25m，高度為5.0m。進出口采用削竹式洞門，采用機械通風、燈光照明。

本合同段施工的胡林家隧道進口右洞長900m，左洞長911.244m，全部為Ⅴ級圍巖。右線洞門10m，明洞10m；左線洞門10m，明洞15m。車行橫洞1處，人行橫洞1處。本工程洞身開挖采用的方法有CD法、環形開挖預留核心土法和臺階法等3種，初期支護段為V級圍巖。

2" "現場監測方案

2.1" "監測項目

監測項目主要涵蓋隧道拱頂下沉與周邊收斂這2個方面。

2.1.1" "拱頂下沉監測

拱頂下沉監測前，需在隧道拱頂部位用風槍打眼埋設固定桿，并在外露桿頭布設掛鉤，將其作為拱頂下沉測點。測點應布置在拱頂軸線附近，當隧道跨度較大時，應結合施工方法在拱部增設測點。測點布置時應避開鋼架和脫空回填處，并盡量將測點布置在兩榀鋼架之間。

最后讀取數據時，應對測試讀數3次取平均值，以減小誤差造成的錯誤結果。每次測量得到的拱頂測點高程與前一次測量的高程差，即為該時間段內的拱頂下沉值。

2.1.2" "周邊收斂監測

對于周邊收斂，噴錨支護施作后，即可用開鑿機械在隧道邊墻開洞。通常利用水泥砂漿將監測點固定桿進行固定。為了提高監測數據的準確性，同一個基線上的固定桿，要保持在同一直線上。圍巖收斂值可以用隧道凈空變化測定儀進行量測，精度為0.1mm。通過測量隧道周邊兩點之間的距離變化，即可了解圍巖的收斂情況。

可以使用全站儀這種非接觸式測量，通過測量隧道內壁特定點的三維坐標，計算出不同時間點同一基線兩測點間的水平距離變化，進而得到水平收斂情況。在使用全站儀時，需先進行測站設置，包括對中、整平、定向等操作，然后照準測點進行測量，并記錄相關數據。

2.2" "監測斷面及測點布置

本隧道的圍巖級別全長均為Ⅴ級，監測斷面每隔8m設置一個，用于監測其拱頂沉降和周邊水平方向的收斂值。對于每一個選用的監測斷面，在隧道中心線拱頂位置設置一個監測點，周邊水平方向的監測點布置在隧道兩側邊墻和拱腰的部位上。總共2個控制基線，每條基線上2個監測點，對應的監測點在同一水平線上。監測點布置示意圖如1所示。

2.3" "監測數據處理與分析

每次監測完畢后，需及時且準確地記錄原始數據，并對其開展初步整理工作。初步整理工作涵蓋數據的校對、計算以及繪圖等。基于以上數據，可繪制出時間-位移變化曲線、位移速度-時間變化曲線。

通過對監測數據進行回歸分析，探尋數據的變化規律與發展趨向，以此預測圍巖變形的最大值以及穩定時間。同時，依據數據分析所得結果，評判圍巖的穩定性與支護結構的可靠性。若察覺數據存在異?；虺鼍渲担仨毤皶r采取對應的處理辦法。根據監測數據及其分析結果，適時調整施工方法、支護參數等，以保障施工安全與工程質量。

3" "監測結果及變形特性分析

3.1" "拱頂變形監測結果

由于監測數據多，處理復雜，本文選取3個不同大小的斷面監測數據進行分析，斷面從大到小依次記為斷面1、斷面2和斷面3，用來探討圍巖變形特性，拱頂沉降隨時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，斷面1的沉降量最大值為34.7mm，且圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大，斷面3的沉降量最小，沉降最大值為26.3mm。

拱頂沉降呈現出3個階段，第一階段為拱頂急劇沉降，斷面1迅速增加到30.2mm，在10d后沉降速率顯著降低，呈緩慢沉降趨勢，最后第三階段沉降趨于穩定，斷面1沉降量增加到最大值34.7mm。急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%，第二、第三階段沉降量占總沉降量的17.9%。

3.2" "圍巖周邊收斂監測結果

隧道周邊收斂隨時間的變化曲線圖如圖3所示。由圖3可知，周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似。在開挖初期，周邊收斂也會快速變化。隨著時間推移，收斂速率逐漸降低，最后趨于穩定。同樣，隧道周邊收斂隨著斷面的增大而增大，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3，分別為26.7mm、23.5mm和19.2mm。

3.3" "圍巖拱頂變形與埋深的關系

本項目隧道最大埋深約為153m，所布置監測點的深度相差很大，從監測數據即可以直觀的看到埋深與拱頂位移的關系。拱頂位移與埋深的關系如圖4所示。

由圖4可以看出，變形數據隨埋深的分布較為離散，埋深和變形之間不存在明顯的對應關系。在埋深從小到大的過程中，各種不同大小的變形值均有分布，并未出現變形值隨埋深增大而明顯增大的情況。

分析認為，一般情況下，隧道埋深越大，地應力水平越高。在隧道施工過程中，考慮到地應力的影響，在施工工藝、輔助工法以及支護時機的選擇等方面做出相應調整，為此埋深對變形的影響不夠明顯。

3.4" "圍巖變形特性分析

在時間效應特性方面，隧道開挖后，圍巖應力重新分布。在初期階段，變形速率往往較大，隨后逐漸減小，最終趨于穩定。比如一些軟巖隧道，開挖后的前幾天到幾周內，變形量增長迅速，之后增長速度放慢，直至穩定在某一較小的速率。

在空間特性方面，一般情況下，隧道拱頂的變形相對較大，而周邊部位的變形相對小。這是因為拱頂部位在開挖后應力集中程度更高，更容易產生變形，為此在實際的隧道工程監測中，經常會出現拱頂下沉數值大于邊墻收斂數值扥情況。在空間特性方面，由于地應力的影響，埋深和變形之間不存在明顯的對應關系。

4" "支護措施分析

圍巖變形可能會破壞地下水的原有徑流通道和平衡狀態，導致出現地下水的滲漏、涌出等情況，進而影響周邊地區的水文地質條件和生態環境，為此對圍巖變形進行控制尤為重要，它是保證隧道安全、穩定、正常運行的必要措施。本文在隧道開挖初期采用錨桿支護，在隧道周圍巖土體中鉆孔植入高強度鋼質桿件，然后進行張拉固定，提供抗拉力，增強巖土體穩定性和承載能力，最后再噴射混凝土加強支護。

同樣采取支護措施后，根據施工段斷面的大小，依次取3個斷面進行拱頂沉降和周邊收斂變形的監測。支護后圍巖變形情況如圖5所示。

從圖5可以看出，采取支護措施后，圍巖不同位置沉降依然跟斷面大小呈正比。3個斷面的拱頂沉降量相比支護前分別減小了17.1mm、16.1mm和15.1mm，周邊收斂量相比支護前分別減小了13.5m、12.4mm和9.4mm。由此可見，采取支護措施后，隧道頂部和周邊水平收斂降低了一半以上，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

5" "結束語

本文以胡林家隧道為例，通過在隧道圍巖關鍵部位設置監測點，獲取長期、連續的變形數據，深入探討了圍巖變形與時間、埋深之間的關系，并提出了初期支護和超前支護結合的治理措施。得到如下研究結果：

在時間特性方面，拱頂沉降呈現出急劇沉降、緩慢沉降和沉降趨于穩定的3個階段，急劇沉降階段隧道拱頂沉降量為23mm，占總沉降的82.1%。取3個不同斷面監測數據分析可知，圍巖拱頂沉降隨著斷面的增大而增大。周邊收斂隨時間的變化趨勢與拱頂類似，周邊收斂值斷面1＞斷面2＞斷面3。埋深和變形之間不存在明顯的對應關系，這是由于地應力的影響，致使埋深對變形的影響不夠明顯。采取初期支護和超前支護結合的措施后，3個斷面的拱頂沉降量相比支護前分別減小了17.1mm、16.1mm和15.1mm，周邊收斂量相比支護前分別減小了13.5mm、12.4mm和9.4mm。由此可見，采取支護措施后，圍巖變形控制得到了顯著的控制。

參考文獻

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