基于现场位移监测数据统计分析的隧道围岩稳定性研究

吴秋军，王明年，刘大刚

（西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）

1 前 言

围岩分级是隧道及地下工程设计、施工的基础条件之一[1]。对于矿山法施工的隧道，一般是依据围岩的稳定性来进行围岩分级的。围岩的稳定性与很多因素有关，但在围岩分级中一般只考虑反映围岩本身特性的地质环境因素，并通过一定的形式予以表达，如太沙基分级方法是采用的是岩石荷载高度[2]，我国铁路隧道分级方法[3]采用的统计塌方荷载高度，我国公路隧道围岩分级方法[4]则是采用自稳跨度，这些围岩稳定性的表达方式实际上反映了围岩进入松弛阶段及出现破坏后的情况。然而，目前在我国流行的、以控制变形为主要目的的新奥法施工中，在绝大多数情况下可以避免围岩出现破坏，甚至可以不出现松弛，这使得在施工中难以用塌方高度、自稳跨度等指标来评价围岩稳定性。由此可见，我国目前隧道围岩分级和施工在思想上就存在较为明显的差异。实际上，隧道围岩稳定性还有其他很多表达方式，常见的如洞周位移、洞周塑性区、安全系数等，其中，洞周位移是实际施工中最容易实施的，技术上也是最成熟的，而且作为我国隧道施工过程中的必测项目，有大量的工程实践作为基础。更重要的是，基于洞周位移的围岩稳定性评价也最能体现当前我国以控制变形为主要目的的新奥法隧道施工思想。

基于洞周位移的围岩稳定性评价，国内外的工程中早有应用，特别是在一些可以用连续介质模型进行模拟的围岩中，如土质围岩，岩质较软，或较破碎、较完整的岩质围岩，通过有限元方法分析洞周位移并与限定位移值进行比较是判定洞室稳定性最常用的一种方式[5－6]，而位移管理基准的是目前新奥法施工中以位移评价围岩稳定最直接的体现[7]。此外，日本的铁路、公路围岩分级方法对每级围岩均给出了相应的洞周绝对位移值范围，因此也利用了洞周位移评价围岩稳定性[8]。

利用洞周位移评价围岩稳定性的难点在于洞周位移受岩体弹性模量、隧道形状大小等因素影响，况且洞周不同部位收敛值差别很大，很难找到统一标准[9－11]，因而一直都是工程界争论的焦点[12]。但在一般的围岩条件即非特殊岩性、非特殊的地质环境下，各级围岩的弹性模量等参数都有其较为固定的分布范围，如《铁路隧道设计规范》[3]、《公路隧道设计规范》[4]都给出了各级围岩的弹性模量及其他参数范围，而当前建设的隧道都采用了标准断面，除跨度外，断面形式变化也不大。因此，在忽略断面局部不平顺之处造成的应变、位移奇异外，从隧道整体稳定的角度是可以建立不同级别围岩的稳定性位移基准的。在下面的分析中，首先，通过数值方法，证实建立不同级别围岩的稳定性位移基准的可能性，然后，采用现场数据统计分析方法，结合部分资料调研结果建立不同级别围岩的位移判别基准。

2 围岩稳定性数值分析

2.1 计算条件

一般而言，在围岩条件确定的情况下，随着隧道跨度的增大，虽然洞周的绝对位移是增大的，但洞周围岩的相对位移反映的是洞周围岩的应变，其值在围岩条件确定的情况下理论上应该不变。为了证实这一点，对铁路隧道中的小跨度（5.0～8.5 m）、中跨度（8.5～12.0 m）、大跨度（12.0～14.0 m）、特大跨度（14.0～16.0 m）等4种跨度条件下围岩的稳定性进行了分析。计算模型中对应四种跨度的隧道断面形式如图1所示，图中隧道断面竖向尺寸为隧道高度，水平向尺寸为隧道跨度。

计算模型顶部岩层厚度取H=100 m，两侧围岩厚度均大于5倍隧道跨度。模型底部施加竖向约束，两侧施加水平约束，顶部自由。隧道采用全断面一次开挖形成，各级围岩的计算参数见表 1。由于本研究是铁路围岩分级研究课题的一部分，其中围岩对III～V级围岩进行了亚级划分。

2.2 计算结果分析

在分析过程中，需要确定围岩何时处于极限状态，对此目前国内外工程界并没有给出统一的建议。本分析中，通过不断地调整荷载释放率，以求得洞周围岩刚刚出现塑性区时的临界状态作为分析的依据。通过试算发现，如果不考虑拱脚处由于洞周形状局部不平顺造成应力集中而产生的塑性区，则各种跨度条件下的临界状态对应的荷载释放率分布在一个相对集中的范围内，如表2所列。

取临界状态对应的荷载释放率范围的中点重新计算。分析拱顶相对沉降与拱腰处的竖向应变的关系，如表3所列。

图2 各级围岩临界状况拱顶相对沉降与应变的关系Fig.2 Relations between relative tunnel arc settlements and strains

从表3及图2可以看出，虽然4种跨度隧道断面形式存在较大的差别，但在忽略洞形局部不平顺处的差异，则每级围岩的拱顶相对沉降与拱腰竖向应变之间存在较确定的线性关系，由于洞周应变在围岩确定的条件下理论上应该不变，故洞周相对位移理论上也是一个确定值。

3 现场监测数据统计分析

对于大多数隧道围岩而言，其稳定性是可以通过洞周位移来表达的。由于隧道断面上拱顶一般设计得较为平顺，故采用拱顶相对沉降作为指标，对从国内已建成或正在施工的 21条高速铁路隧道和64座高速公路隧道中的2 213个拱顶沉降位移样本进行了分析。首先，对照《铁路隧道设计规范》[3]中的围岩分级方法，剔去了部分围岩分级不合理的样本，最终得到1 449个样本，样本分布情况如表4所列。为了便于不同洞形洞室样本之间的比较，将拱顶位移除以洞高得到拱顶相对沉降，并以拱顶相对沉降进行分析。

表4 隧道围岩位移样本分布情况Table 4 Distribution status of displacements of samples of surrounding rock of tunnel

3.1 中跨度样本统计

由于中跨度隧道在实际工程中较为常见，且已收集的中跨度位移样本作为分析的基础。

3.1.1 III级围岩统计分析

对189个中跨度III级围岩样本的拱顶相对沉降样本进行了分析，如图 3(a)所示。从图中可以看出，中跨度Ⅲ级围岩现场样本的拱顶相对沉降大都小于 0.40%。将其拱顶相对沉降分布范围分为＜0.10%，0.10%～0.20%，0.20%～0.30%及≥0.30%4个区间分别进行统计，样本分布率如图3(b)所示。从图可以看出，中跨度Ⅲ级围岩的拱顶相对沉降集中在≤0.30%之内，保证率≥81%。

3.1.2 IV级围岩统计分析

对325个中跨度IV级围岩样本的拱顶相对沉降样本进行了分析，分布情况如图 4(a)所示。从图4(a)可以看出，中跨度IV级围岩拱顶相对沉降大都小于 0.80%。将其拱顶相对沉降分布范围分为：＜0.20%，0.20%～0.40%，0.40%～0.60%，0.60%～0.80%及≥0.80%五个区间分别进行统计，样本分布率如图4(b)所示，从图中可以看出，中跨度IV级围岩的拱顶相对沉降集中在≤0.80%之内，保证率大于98%。

图3 中跨度Ⅲ级围岩现场样本拱顶相对沉降统计结果Fig.3 Statistical results of on-site relative tunnel arc settlements samples for grade III of mid-span

图4 中跨度IV级围岩拱顶相对沉降统计结果Fig.4 Statistical results of onsite relative tunnel arc settlements samples for rock Grade IV of mid-span

3.1.3 V级围岩统计分析

对213个中跨度IV级围岩拱顶相对沉降样本进行了分析，分布情况如图5(a)所示。从图中可以看出，中跨度V级散体围岩拱顶相对沉降大都小于1.40%。将其拱顶相对沉降分布范围分为＜0.50%，0.50%～1.40%及≥1.40%三个区间分别进行统计。样本分布率如图5(b)所示。从图中可以看出，中跨度V级围岩的拱顶相对沉降集中在≤1.40%之内，保证率大于92%。

图5 中跨度V级围岩拱顶相对沉降统计结果Fig.5 Statistical results of on-site relative tunnel arc settlements samples for rock grade V of mid-span

3.2 其他跨度样本统计分析

利用上述分析方法，对小跨度、大跨度及特大跨度情况下的样本进行了分析，结果如表5所列。从表中可以看出，随着跨度的增大，拱顶相对沉降变化并不明显。

表5 各级围岩允许位移分布范围统计结果Table 5 Statistical results of distribution range of allowable displacements for all grades of surrounding rocks

3.3 不同埋深样本分析

对样本中含有埋深信息的部分拱顶相对沉降与埋深的关系进行了分析，如图6所示，这些样本主要 IV级围岩。从图中可以看出，样本的拱顶相对沉降总体上集中在一个相对狭窄的区域内，随埋深变化而变化规律并不明显，并且拱顶相对沉降相对较大的样本主要集中在埋深较浅的区域。

4 国外规范调研分析

国内外规范中对各级围岩的洞周位移极限值也都有所规定，表6为国内外8种隧道规范中的位移控制基准值的对比结果。从表中可以看出，各种规范虽然给出的拱顶相对沉降限值有一定的差别，但差别并不大，因此选择《铁路隧道设计规范》[3]给出的相对位移控制基准是比较合适。

图6 围岩拱顶相对沉降随埋深的变化规律Fig.6 Relative tunnel arc settlement changes of surrounding rock with depth of tunnel

表6 国内外规范中的拱顶相对沉降控制基准的对比Table 6 Comparison of relative tunnel arc settlement control baselines between domestic and foreign codes

不同跨度和不同埋深的围岩位移监测样本统计分析结果表明，拱顶相对沉降对跨度变化及埋深变化并不明显，所以可以用中跨度各级围岩样本的拱顶相对沉降的统计分析结果作为各级围岩稳定性评价的依据，见表7。

表7 中跨度隧道围岩允许位移分布范围Table 7 Distribution range of allowable displacement of tunnel surrounding rock for mid-span

5 结 论

（1）对各级围岩而言，其相对位移与相应的应变存在较为确定的线性关系，说明可以采用相对位移来评价不同级别围岩的稳定性。

（2）通过大量现场数据的统计分析和文献调研结果，获得了中跨度隧道各级围岩的允许位移分布范围可作为评价围岩稳定性的依据。

（3）拱顶相对沉降对跨度变化及埋深变化并不明显，对其他跨度和各种埋深情况都可以采用中跨度各级围岩样本的拱顶相对沉降的统计分析结果作为各级围岩稳定性评价的依据。

目前基于上述稳定性评价方法的围岩分级方法已在部分隧道中得以应用，取得了较为良好的经济效果。

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