一种新的隧道围岩稳定性判断基准的提出和应用

王玉文，李宁军

（1.广东省路桥建设发展有限公司 ，广东 广州 510623；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

1 依托工程概况

二广高速公路连州至怀集段是国家重点公路二连浩特至广州高速公路在广东境内一段，路线全长191.7 km，为山区高速公路，地形地质条件复杂，桥梁隧道比例高。全长设特长隧道3座，长隧道3座，短隧道6座，隧道总长18.23 km，设计速度100 km/h、路基宽度26 m；主线鹤塘至终点及怀集支线采用双向6车道、设计速度100 km/h。该项目主线于2011年开工，目前正在建设当中。

济源至晋诚段是太原至澳门国家重点公路的其中一段，是河南省路网规划“三横”“五纵”“四通道”的重要组成部分。全长20.566 km。线路穿越太行山南麓陡峭山区，以桥隧相接，地形复杂，施工难度大，为河南省高速公路建设之最。全线共设隧道10座，总长8.671 km。设计行车速度80 km/h，双向4车道。目前该高速公路已经建成通车。

2 一种新的隧道围岩稳定性判断新基准的提出

在隧道开挖后支护初期，如何在复杂多变的地质、工程结构和施工条件下，根据现场的变形量测预报施工过程中围岩稳定位移与突发失稳时间，及时有效地判别围岩-支护系统的稳定性具有重要意义。在济晋高速和二广高速连怀段的隧道的监控量测中，根据具体实践经验，提出了把位移速率du/dt的大小作为济晋高速和二广高速围岩稳定性的重要判据，同时不孤立地看待位移监测结果，充分利用一切能利用的地质和支护信息，提出使用位移变化率和地质与支护信息相结合来判断围岩稳定性和指导施工的方法，而没有使用传统利用围岩总位移量相对允许最大位移的大小来判断围岩稳定性的准则。主要是基于以下几个方面的考虑：

（1）实际量测中，由于施工等种种原因使围岩位移量测的损失难以避免，很难准确得到相应的总位移值。

（2）如果用回归分析等手段预计总位移值，需要监测相当一段时间后才能预测，对支护早期稳定性的判断意义不大。

（3）在具体工程实际中，允许最大位移值很难精确确定。

（4）位移速率能反映短时间内围岩的动态变化。围岩地质和支护情况观察是隧道监控量测的重要组成部分。地质因素是影响围岩稳定性的最主要因素。地质因素对周边位移监测值的影响是基本的和多方面的地质信息对判断围岩稳定性有重要意义，而这一点往往被忽视。

3 新的隧道围岩稳定性判断新基准的应用

3.1 变更围岩类别

在隧道围岩变更中，根据对隧道周边位移量测数据的分析并结合隧道围岩与开挖工作面岩性特征，以及水文地质状况，围岩的周边位移变化率很小的地段，对地质条件、水文地质状况好的岩层，适当降低围岩级别，降低初期支护结构的参数，减少支护费用，节约了投资，提高了施工进度。同样，在预设计中也会存在有些地段对围岩类别评估不足的现象，对围岩预估偏高的地段，在施工过程中可适当降低围岩类别，加强支护。虽然这样做会增加投资，但确保了工程质量，保障了安全，也是十分必要的。

国内绝大多数隧道围岩类别的变更，大都是低级别的弱支护变更到高级别的强支护变更，从而造成投资大大增加。而在济晋高速的围岩变更中，98%的变更都是由高级别向低级别变更。济晋高速公路10座隧道左、右线全长共计8721 m，在隧道施工过程中，通过围岩的周边位移量测信息和地质信息，发现好多地段原设计对围岩级别的预估偏高。通过包括监测单位在内的几方单位协商，本着实事求是的原则，这些地段都恰当地降低了围岩类别，大大减弱的支护强度，共由高级别围岩向低级别变更的长度达3544 m，占隧道总长度的41%，共节约资金约6000万元。而由低级别向高级别变更的不足总变更量的2%。

下面列举一个利用周边位移量测和地质信息对济晋高速隧道的围岩变更的典型断面位移量测曲线（见图1）。该断面位于仙神河隧道右线ZK1+275，原设计为为Ⅳ级围岩，根据监测信息变更为了Ⅲ级围岩。由图1可知，改变支护后周边收敛和拱顶下沉值都比较小，且向稳定的方向发展，15 d以后就已经稳定，这证明变更正确。于是把该段面以后的与该段面相似的40 m，全部由为Ⅳ级围岩变为Ⅲ级围岩，位移量测和地质观测结果表明，变更是完全正确的。

图1 Ⅳ级围岩变更为Ⅲ级围岩的典型断面周边位移曲线图

3.2 修改施工方法

济晋高速和二广高速连怀段隧道施工的周边位移的监测数据表明，根据周边位移量测信息和地质信息，对地质条件、水文地质状况好的岩层、围岩的周边位移很小的地段，可以将原施工方法变更为更简单、更节约的施工方法，比如分部开挖变为台阶法开挖，台阶法开挖变为全断面开挖。

下面结合二广高速竹盖山隧道隧道典型断面，对济晋高速隧道的开挖方式的修改进行分析。图2为竹盖山隧道进洞不久为同地质情况的围岩的两个典型断面的全断面和台阶法开挖周边累计收敛对比曲线图。通过对全断面开挖和台阶法开挖法典型周边位移变形的比较，结合该隧道比较稳定的地质情况，将该隧道Ⅳ级围岩的施工方法由台阶法开挖，变更为全断面开挖。开挖以后通过量测数据均在正常范围以内，没有出现任何异常情况，证明变更合理。

3.3 对凤凰台二号隧道塌方的预报

塌方是指围岩失稳而造成的突发性坍塌、堆塌、崩塌等破坏性地质灾害，常发生于断层破碎带、膨胀岩(土)第四系松散岩层，不整合接触面，侵入岩接触带及岩体结构面不利组合地段，它是隧道施工中最常见的灾害现象之一。塌方不仅严重危及施工人员安全，而且往往极大地影响施工进度。

图2 二广高速连怀段竹盖山隧道同种围岩全断面和台阶法开挖周边位移曲线图

塌方在产生以前往往具有一些征兆，如隧道支护结构变化过大或出现明显的受力裂缝且不断发展，另外一个重要的方面就是，周边位移时态曲线长时间没有变缓的趋势，即由量测获得位移一时间曲线各时刻位移速率，以及位移加速度的变化趋势对隧道的稳定性加以分析，如果围岩变形位移时态曲线出现图3所示情况，位移增长率突变等反常现象，位移变化率和位移值超过允许的范围而仍无停止趋势，则就有产生塌方的迹象。图4为洞口塌方实景。因为这些征兆的出现，可以通过施工中的周边位移量测和地质观测等方法对塌方来进行有效的预测预报（见图5、图6），从而大大降低隧道施工中的风险，保证隧道的施工安全。

图3 位移速率曲线的反弯现象图

图4 洞口塌方情况实景

图5 塌方前22 h观察到的支护裂缝实景

图6 塌方前7 h观察到的支护裂缝实景

需要强调的是，位移监测的结果要与地质监测，如地下水、裂隙、地应力等监测结果结合运用，不能孤立地看待位移监测结果，才能更好地进行预测预报。

在凤凰台2#隧道左线进口施工过程中，监测组在第一时间监测到凤凰台2#出口段隧道围岩位移的反常动态变化，对发生的塌方及时进行了准确报警，在塌方出现之前及时通知施工、监理和业主单位，避免了人员的伤亡和设备的损害。

凤凰台2#隧道出口段围岩较为破碎，为强～弱风化页岩，节理和裂隙发育，开挖后地质观测发现在出口段的左侧存在较大的贯通节理。图7为凤凰台2#隧道进口处塌方段的一个断面的测试图。此测试断面位于凤凰台2#隧道左线K3+690，从图7可以看出，围岩在上台阶刚开挖后的几天变形速率较大，随着时间的延长变形速率逐渐减小，向稳定的方向发展，第10 d下台阶开挖，收敛速率又有明显加大，接下来几天位移速率又迅速减小，前20 d与该隧道的其它正常典型断面围岩位移的变化比较一致，没有发现异常变化。到了第21天，该断面拱顶变形出现一点增大的迹象，但是变化值不大，量测组增加了量测的频率，而后四次量测，发现周边收敛速率日渐增大，而且拱顶下沉速率值更大，对此，发出了警报，停止该段正在进行的施工，继续加强观测，第24天上午，围岩的周边收敛率和拱顶下沉率成倍增长，围岩变形曲线出现了较大的反弯点，远超过该级围岩变形的正常范围，通过地质和支护情况观测，K0+690左右有三榀钢拱架右侧出现了约3～5 m不等的环向裂缝，局部有混凝土脱落的现象，裂缝有随时间进一步发展的趋势，如图5和图6所示。根据围岩位移速率和围岩、支护观测情况，立即发出塌方预报，施工单位在第一时间撤出所有施工人员和设备，第24天晚上该段就发生了约25延米的冒顶塌方。

图7 凤凰台2#隧道左线塌方段K3+690断面周边位移量测曲线图

4 结语

在济晋高速和二广高速隧道群中，开展的周边位移量测研究成果，为济晋高速和二广高速连怀段隧道修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供了科学依据，掌握了施工阶段地层与支护结构的动态变化，对出现的塌方和险情进行了准确的预报。节约了投资，保证了施工安全，创造了较好的经济效益和社会效益，具有一定的应用推广价值。

[1]JTGF60—2009,公路隧道施工技术规范[S].

[2]王玉文，公路隧道周边位移监测及其应用研究[D].西安:长安大学,2007.

[3]聂玉文，金文良，王玉文，等.二广高速公路连山段两阶段隧道施工图设计[R].广州：广东省公路勘察规划设计院,2010.

[4]李宁军，王玉文，王亚琼，等.济晋高速公路隧道监控量测总报告[R].西安:长安大学,2008.