基于监控量测的隧道的稳定性研究

金 昊，刘 立

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都610039)

隧道施工期间进行的监控量测是指在隧道开挖过程中，使用各种量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测，其作用是及时提供围岩的稳定程度和结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据量测结果确定二次衬砌的施作时间，进而实现隧道工程的信息化设计。可以避免由于缺乏隧道施工监控量测数据和结果分析而造成施工与支护等工作安排的盲目性，尽量降低工程造价，争取时间，保证在计划工期内圆满完成隧道施工任务。

1 工程概况

某隧道工程位于一条狭长河流右岸。隧址区处于某推覆构造带，岩体因受区域构造作用，具有微变质化，岩体强度有所降低，为软质岩，岩体中节理裂隙发育，岩体呈块碎石状镶嵌结构。隧道开挖时拱顶围岩稳定性差。隧道洞身由弱风化闪长岩及千枚岩构成，岩石均属于较软岩类，岩体结构多为块状砌体结构，少量为碎石状镶嵌结构，局部段受断层影响为角砾、碎石状松散结构，洞身段含少量基岩裂隙水，呈滴水状渗出，局部呈小股状渗出。隧道总长为938m，穿越Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩，隧道洞口为道桥单元(PT2－3T)闪长岩弱风化带进洞，洞顶及侧壁围岩由弱风化岩体构成。

该隧道平纵设计方案主要由路线方案控制。进口位于S形曲线上，洞口桩号处 R=600m，洞内圆曲线半径 R=254.446m，出口位于直线上。隧道内主洞内空断面拟定拱圈半径为R=5.20m，三心圆曲边墙结构，内轮廓净宽10.4m，净高7.62m，隧道设计时速80 km/h。

2 监测仪器布置概况

在进行仪器布置时，首先应该弄清楚监测的重点部位、监测的项目、监测断面数以及监测点的布设位置等情况。只有断面上的各个监测项目及其测点的数量和位置相互配合起来，才能全面反映监测部位的整体性状变化、满足分析计算的需要。

根据监测项目和开挖揭露的围岩条件可在每间隔20～50m设置一个监测断面，特殊地段可按照最小10m的距离减少或增加监测断面，以便确保监测的精度和量测的可靠性，保证量测结果的准确性。具体布置:V级围岩每20m一个断面，Ⅳ级围岩每25m一个断面，Ⅲ级围岩每30m一个断面。在围岩变化处，适当加密断面布置，在围岩较好处，适当加大断面布置的距离。

隧道按图1所示，在拱顶、行车路面上1.5m左右埋设测点，即采用三角形法进行拱顶下沉、水平收敛变形量测。水平收敛采用SWJ－Ⅳ隧道收敛计量测，量测精度为0.01mm，拱顶下沉采用精密水准仪进行量测或三角形量测法。

图1 围岩水平收敛与拱顶下沉量测

围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电测式测力计。电测式优点是测量精度高，可远距离和长期观测。根据合同要求，该次采用电测式测力计。采用仪器与元件:钢弦式压力盒WY－2型，振弦频率检测仪PZX－2型。在有代表性的地质断面上，与净空收敛量测和拱顶下沉量测选在同一横断面上，每个横断面上安设10个压力盒，分别在拱顶1对、拱腰2对、边墙2对。布置详见图2。

3 水平收敛与拱顶下沉测试分析

隧道在各种地质应力或外力的作用下，它的外形和内在的工程地质特性都会随着时间不断发生变化。因此利用三角形法监测隧道的位移变形随时间变化的关系，同时分析隧道不同时间的稳定状态和发展趋势，及时增加相应的支护措施，对保证隧道的安全施工有重大作用。本文选取K19+630量测面观测数据来分析隧道的变形和稳定性。

图2 围岩及支护间压力量测断面示意

图3 水平收敛时间曲线

图4 拱顶下沉时间曲线

利用隧道的水平收敛与拱顶下沉我们绘制了沿隧道纵向变形值图，其变形图见图5。

图5 沿隧道纵向变形图

(1)从图3和图4可以看出，隧道收敛在支护完成半月左右就基本处于稳定，对测试点进行曲线回归，该隧道收敛变化，与负指数函数比较吻合，从而可以有效预测隧道收敛的变化情况，更好地指导隧道施工。

(2)从图5可以看出，隧道总体变形值较小，最大拱顶下沉为6.91mm，最大水平收敛为16.35mm，这与开挖围岩岩性较好，且较完整，同时，施工中隧道支护时间较迟，洞周急剧变形时期已快完成，从而表现测量值较小，但从隧道收敛测试数据的基本稳定看，隧道开挖及施工工艺是适合该隧道开挖的及支护的。

4 围岩与层间压力量测分析

通过对隧道现场围岩与支护层间压力埋设及数据测试工作，并及时对各个断面进行数据分析，并绘制了时态曲线图，以K19+560断面为例，如图6所示。

图6 围岩压力时间曲线

可以看出，围岩压力曲线呈上升－平缓趋势，即围岩压力对支护结构压力先逐渐增大后逐渐趋于稳定，结构受力也逐渐趋于稳定，从而隧道结构受力是安全的，表明隧道支护参数设计较为安全，施工工艺可行。

5 隧道稳定性总结分析

通过分析该隧道的监测数据，总的来说:位移成果曲线比较平缓，其拟合曲线近似于一条水平直线，说明位移有趋于某一固定值的趋势;在充分考虑支护应力损失的情况下，通过围岩压力的分析可以得出，观测成果曲线随时间呈不同程度的变化，围岩压力变化趋于一个稳定值附近，说明围岩支护对受力稳定。可以判定目前隧道处于稳定状态。

6 结论

(1)影响隧道稳定性的因素是多样性的，因此在进行仪器布置时，一个监测断面上的各个监测项目及其测点的数量和位置应相互配合起来，应能全面反映监测部位的整体性状变化，满足分析计算的需要。

(2)施工过程中，以掌子面及支护的描述为判断围岩、隧道的稳定性依据，根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。从而有效地指导了隧道施工。

(3)根据现场监测结果，拱顶下沉和水平收敛在支护开始一周内，日收敛率在0.2～0.8mm，后迅速变小，在半月的收敛后基本趋于稳定;围岩的变形变化符合负指数函数，可对其最终变形进行预测。

(4)根据测试的结果，收敛基本稳定后，可施做二次衬砌，有效合理地指导现场施工。

［1］ 张强勇．岩土工程强度与稳定计算及工程应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005

［2］ 张永兴，贺永年．岩石力学［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004

［3］ 黄湖星．隧道围岩稳定性研究［J］．西部探矿工程，2009(8):129－131

［4］ 谢锋，蒋树屏，李建军．蠕变围岩隧道二次衬砌支护时间的研究［J］．地下空间与工程学报，2006，2(5):805－808