大华岭隧道监控量测与稳定性分析研究

王有杰

(河北张家口洋河新区开发建设管理处)

1 隧道洞室围岩类别划分与衬砌支护参数

1.1 围岩划分

大华岭隧道围岩根据《公路隧道设计规范》规定的围岩划分详见表1，隧道洞室围岩级别划分，主要按以下顺序进行。

(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体质量基本指标[BQ]，综合进行初步分级。

(2)对围岩进行详细分级时，考虑了岩石的物理力学性质、构造发育程度、承受的荷载、应力应变状态、几何边界条件、水的赋存状态等因素。

(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判、确定围岩的详细分级。

表1 大华岭隧道围岩分级标

2.2 衬砌支护

衬砌结构设计以工程类比法为主，结合构造要求，根据围岩级别和洞室埋深条件拟定相应的支护类型，再通过必要的理论分析计算(有限元法)等进行校核，合理确定支护体系的各种参数。大华岭隧道衬砌支护参数见表2。

3 量测项目与实施

3.1 量测项目的确定

(1)必测项目

必测项目是为了在设计、施工过程中确保围岩稳定，并通过判断围岩的稳定性来指导设计、施工。此类量测通常测试方法简单、可靠性高。本次量测任务中选择的必测项目有地质和支护状态观察、拱顶下沉和周边位移量测。

(2)选测项目

表2 大华岭隧道围岩复合式衬砌支护设计参数表

续表2

选测项目是对必测项目的拓展与补充，其通过对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求得更深入的掌握围岩的稳定状态与锚喷支护的效果，用于指导未开挖区的设计与施工。选测项目安装埋设比较复杂，费资费时较大，但可以进行长期观测。本次量测任务中选择的选测项目有:围岩内部位移、锚杆轴力、钢支撑应力、衬砌应力、围岩与衬砌接触压力量测，其中锚杆轴力监测点断面埋设位置如图1，其他监测项目布设位置亦相同。

3.2 量测仪器的选定

根据确定的量测项目和断面数目，所需仪器设备和数量如表3所示。监测仪器、传感器选型原则:必测项目的净空收敛采用先进、可靠、精度高、误差小、测读和数据处理简易方便的非接触量测手段;选测项目采用稳定、可靠、可长期监测的振铉式传感器或光纤传感器。

表3 量测项目仪器设备一览表

3.3 量测项目的目的与实施

地质与支护状况观察要求对岩石、岩层产状、结构面、断层进行描述，对支护结构裂缝进行观察;周边位移量测的目的是根据位移及其收敛状况判断周围岩体的稳定性，初期支护的设计与施工方法是否妥当，二次衬砌的灌注时间等;拱顶下沉量测的目的是监视隧道拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性;围岩内部位移量测是了解隧道围岩的松弛区、位移量及围岩应力颁布，为准确判断围岩的变形发展提供数据;锚杆轴力量测根据锚杆反承受的拉力，判断锚杆布置是否合理;衬砌应力量测的目的是量测喷混凝土层、二次衬砌内轴向应力，了解支护衬砌的受力状态;围岩与衬砌接触压力量测的目的是判断复合式衬砌中围岩荷载大小，判断初期支护和二次衬砌分担围岩压力情况;钢支撑应力量测的目的是判断作用在钢支撑上的压力大小，确定钢支撑尺寸、间距及设置钢支撑的必要性。

图1 锚杆轴力测点布置图

4 围岩稳定性分析

根据大华岭隧道地质情况和施工进展，共布设了6个选测断面和30个必测断面，设测点338个，获得量测数据1.2万多个。

本文仅以RK23+750断面为例进行稳定性分析:RK23+750断面位于大华岭隧道上行线，属V级围岩，采用上下台阶法施工，初期、二衬支护按五级浅埋，参数见表2。

围岩与喷射混凝土接触压力:本断面的接触压力较小，其中左侧拱腰测点压力较大，最大为0.2MPa，其余四个测点的接触压力均小于0.15MPa，原因是受偏压所致，但偏压较小。从接触压力的时空曲线分析，本断面的接触压力稳定。

喷射混凝土内部应力:所测数据均为压力，其中拱顶的应力最大为11.5MPa。从变化曲线分析拱顶的应力趋于稳定。其余四个测点的应力值均较小，变化曲线水平发展。

钢支撑内力:拱顶与左侧拱腰受力较大，均为压力，这也与围岩与喷射混凝土接触压力、喷射混凝土内部应力分析情况符合。但均在安全范围内，待上下台阶均开挖支撑后，应力开始回落并趋于平稳。其余测点应力较小且稳定。

拱顶下沉与围岩收敛:拱顶下沉量较小，最大值为22mm，周边收敛值很小，最大值为17mm。

锚杆轴力:各测点锚杆均受拉力，左侧拱腰围岩内部锚杆受拉力相对较大，最大为6.8kN(图2)，其余锚杆受力较小，均在安全范围内。

图2 左侧拱腰3#锚杆轴力变化曲线

围岩内部位移:本断面各测点位移均在安全范围内，目前处于比较稳定状态，只有左侧拱腰位置大些，最大为6.0mm，其余各测点的位移比较均匀，都在1.2mm左右。

喷射混凝土与二次衬砌接触压力:五个测点值均小于0.17MPa，从时空曲线分析，二衬受力稳定。

二次衬砌内部应力:五个测点值均小于0.15MPa，从时空曲线分析，二衬内部应力稳定。

综合以上各量测项目分析知，本断面结构受力不大，围岩基本稳定，表明在该段隧道的初期、二次衬砌支护理论，能确保围岩和支护结构稳定。

5 结论

通过大华岭隧道监控量测与稳定性分析知，大华岭隧道的施工方法和支护参数是适宜的，能够保证围岩和支护结构的稳定，但在局部围岩强度低的不良地段应及时采取加强措施，并进行超前支护，防止出现大的变形，以确保安全;公路隧道现场监控量测能够准确判断围岩的变形和支护结构的受力状况，为施工方案提供可行的科学依据。

[1] 公路隧道设计规范(JTG D70-2004)[S].

[2] 公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)[S].

[3] 夏永旭，王文正，胡庆安.公路双连拱隧道“三导洞法”施工的力学分析[J].长安大学学报(自然科学版).

[4] 张小旺，蔡迎春.岭南高速公路隧道监控量测及信息化施工技术[J]铁道建筑，2007，(2):52-54.