骡坪隧道施工围岩变形监测与分析

李章树，张金凤

(1.西华大学 建工学院，成都 610039;2.郫县水务局，四川 郫县 611730)

巫奉高速公路骡坪隧道为上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，全长4.5 km，骡坪隧道出口端位于重庆市巫山县骡坪镇风岭村，范围为左线 ZK7+127.283—ZK9+292(全长2 164.717 m)，右线 YK7+150—YK9+335(全长2 185 m)，最大埋深约435 m，属于特长隧道。主要穿越围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，节理裂隙发育，地下水比较丰富。因此，为了充分发挥围岩的自承能力，在经济合理的支护条件下保证围岩的安全，需要在该隧道施工中实施现场监控量测，以根据量测结果分析调整设计参数，实现工程的动态化设计和信息化施工。监控工作及其监控量测结果的及时反馈就成为衡量设计、施工是否合理的一项重要工作[1]，通过施工监控量测可以进行信息及时反馈和预测预报，优化设计，指导现场施工，确保隧道施工安全与质量，提高工程的社会、经济与环境效益。

1 监测的目的

1)通过施工现场监测掌握围岩和支护结构在施工过程中的力学动态及稳定程度，为评价和修改初期支护参数、力学分析及二次衬砌施作时间提供信息依据;通过信息反馈及预测预报来优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工的安全与质量和工程项目的社会、经济和环境效益。

2)为科研项目提供第一手的信息，为节省工程投资，提高浅埋大跨城市交通隧道的修建水平提供科学依据和技术保证，积累资料，为今后的设计提供类比依据等。

2 监测项目与测点设置

量测隧道断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、周边位移［2-4］以及底板鼓起。

隧道收敛位移量测是最基本的主要量测项目之一，各测点在避免爆破作业破坏测点的前提下，尽可能靠近工作面埋设，一般为距工作面0.5～2.0 m，并在下一次爆破循环前获得初始读数。初读数在开挖后2 h内读取，最迟不超过24 h，而且在下一循环开挖前，完成初期变形值的读数。

拱顶下沉量测是在各隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各2 m处酌情布设1～3个带挂钩的锚桩(见图1、图2)，测桩埋设深度30 cm，钻孔直径 φ42 cm，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。通过一个测量相对基准点，用水准仪、垂向长钢卷尺等来量测拱顶下沉。

图1 必测项目监控量测断面布置示意

图2 必测项目监控量测断面布置示意

拱顶下沉和水平收敛量测断面的间距为:Ⅲ级以下围岩不大于40 m;Ⅳ级围岩不大于30 m;Ⅴ级围岩应<20 m。围岩变化处适当加密，在各级围岩的起始地段增设拱顶下沉测点1～3个，水平收敛1～2对。当发生较大涌水时，Ⅳ、Ⅴ类围岩量测断面的间距应缩小至5～10 m。

3 监测数据处理

1)周边位移:

数据处理公式:Ut=L0－Lt+Xt1－Xt0式中 Ut—— t时刻的周边收敛值;

L0——收敛尺的初始读数;

Lt——收敛尺t时刻的读数;

Xt1——t时刻温度修正值;

Xt0——初始时刻温度的修正值。

拱顶下沉:Δ h =ht－h0

式中 Δh——t时刻的拱顶下沉量;

ht——t时刻收敛尺的读数;

h0——收敛尺的初始读数。

2)数据应用

①隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于表1[5]所列数值，否则应进行支护参数的修正。②根据量测结果进行综合判断，确定变形管理等级，据以指导施工。变形管理等级见表2[5]。③当位移—时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。

表1 初期支护极限相对位移 %

表2 围岩变形管理等级

4 骡坪隧道围岩变形监测与分析

在隧道的开挖过程中，随着开挖面的向前推进和时间的推移，隧道围岩变形不断发展，这就是通常所说的围岩变形特征。对这一效应的研究，有助于掌握围岩的变形特征，确定二次衬砌的合理施作时间，从而配合和指导施工实践。本节结合骡坪隧道的监控量测资料，对围岩变形位移—时间特征进行分析、总结，以期找出其中的一些变形特征和规律，为以后的相关研究提供参考。

根据骡坪隧道的监控量测资料对围岩变形位移—时间曲线进行了总结，迄今对骡坪隧道拱顶下沉和周边水平收敛的围岩变形监测结果表明:Ⅳ级、Ⅴ级围岩一般埋点后经历一个月左右的时间后，围岩测点变形基本上就会趋于稳定。因此，以下各必测项目监测断面的分析内容主要侧重于埋点后经历一个月左右时间的监测结果。骡坪隧道围岩变形位移—时间特征曲线主要有以下4种类型:“抛物线”型、“厂”型、“似根号”型、“S”型。

1)“抛物线”型(如图3所示):这种类型曲线在变形趋稳前大致可分为2个阶段:①快速增长阶段:持续时间为7 d左右，平均变化速率为0.12 mm/d;②缓慢增长～趋稳阶段:持续时间为15 d左右，平均变化速率为0.015 mm/d。这种类型曲线的特征是:隧道围岩变形速率在开挖后初期较快，随着时间的推移和掌子面的推进，围岩变形速率逐渐减小直至变形稳定。

图3 ZK9+260断面周边收敛下测线变化曲线

图4 ZK9+220断面周边收敛下测线变化曲线

2)“厂”型(如图4所示):这种类型的曲线在变形趋稳前大致可分为2个阶段:①快速增长阶段:持续时间为1～7 d，平均变化速率为0.30～3.55 mm/d;②趋稳阶段(有时为缓慢增长～趋稳阶段):这一阶段的平均变化速率均<0.20 mm/d。这一类型曲线的特征:掌子面的开挖致使前期的围岩变形速率较快，一段时间后隧道的围岩变形很快趋于稳定。

3)“似根号”型(如图5所示):这种类型的曲线在变形趋稳前大致可划分为4个阶段(以YK9+205断面拱顶下沉中间测点变化曲线为例):①快速增长阶段:持续时间为1 d左右，其平均变化率一般为1.80 mm/d;②快速回落阶段:持续时间为1 d左右，平均变化率一般为－1.33 mm/d;③快速增长阶段:持续时间18 d左右，平均变化率一般为1.40 mm/d;④缓慢增长～趋稳阶段:持续时间4 d，平均变化率一般为0.15 mm/d。这一类型曲线的特征是:开始时围岩变形速率较快，随后变形量快速回落且围岩变形速率出现负值，然后变形量重新增大围岩变形速率较快，最后随着时间的推移围岩变形逐渐减慢并趋向稳定。

4)“S”型(如图6所示):这种类型曲线较少，以YK9+258断面为例:①快速增长阶段:持续时间为4 d左右，平均变化率为0.18 mm/d;②缓慢增长阶段:持续时间为7 d左右，平均变化速率小于0.20 mm/d;③快速增长阶段:持续时间8 d左右，平均变化速率一般为0.30 mm/d左右;④缓慢增长 ～趋稳阶段:持续时间10 d左右，平均变化速率小于0.20 mm/d。这一类型曲线的特征是:在刚开始时围岩变形速率较快，接着几天围岩变形速率缓慢，然后是快速增长阶段，最后，随着时间的推移围岩变形速率逐渐减小，围岩变形趋于稳定。

图5 YK9+205断面周边收敛变化曲线

图6 YK9+258断面周边收敛变化曲线

根据监测数据统计结果的情况来看:“厂”型最普遍，其次是“抛物线”型，“似根号”型和“S”型较少，仅在个别特殊的断面出现。

5 结语

结合骡坪隧道工程实际，从现场监控量测资料入手，对典型公路隧道的围岩变形特性与稳定性进行了一定的分析和研究，得到以下主要结论:

1)骡坪隧道开挖过程中围岩变形受时空效应的影响，隧道各台阶围岩变形(不计其它台阶开挖对它的影响)基本上呈抛物线型。隧道全断面开挖后10～20 d或距其开挖面一倍到两倍洞径处，位移释放率通常能达到80%以上，开挖后30 d或距其开挖面三倍到四倍洞径处，位移释放率绝大多数达到近100%。

2)骡坪隧道围岩变形位移—时间特征曲线主要有4种类型:“抛物线”型、“厂”型、“S”型、“似根号”型。

3)从骡坪隧道围岩变形速率来看，隧道开挖后20～50 d内周边收敛和拱顶下沉位移释放率和变形速率都达到了规范的要求，可以施作二次衬砌。

4)骡坪隧道围岩变形监测量均不大，而且基本在30 d内趋于稳定，设计采用支护参数以及施工中采用的上下台阶法施工能够保证施工安全进行，并且有较高的安全度。

隧道围岩变形主要受围岩级别、岩体结构状态、地应力、岩体力学性质、埋深、工程因素等多方面因素的综合影响，另外，地下水分布、浅表生构造等因素也会影响隧道围岩变形。所以，在很好地了解隧道围岩变形特征及规律的同时，必须综合考虑各方面的影响因素，才能有效地指导隧道的正常施工。

[1] 王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理［M］.北京:中国铁道出版社，1990.

[2] 中华人民共和国交通部.JTJ042—2004 公路隧道施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

[3] 李晓红.隧道新奥法及其量测技术［M］.北京:科学出版社，2002.

[4] 孙明磊，朱正国，刘志春.客运专线超长断面隧道现场监测分析研究［J］.铁道建筑，2009(10):57-59.

[5] 中华人民共和国交通部.JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.