软弱围岩隧道CRD法施工围岩稳定性评价指标研究

张涛

(神华包神铁路集团公司，内蒙古包头014014)

软弱围岩隧道CRD法施工围岩稳定性评价指标研究

张涛

(神华包神铁路集团公司，内蒙古包头014014)

通过对新建铁路巴准线上十几座软弱围岩隧道CRD法施工过程中的现场监控量测，获取隧道围岩拱顶沉降和周边收敛数据，运用Matlab对监测数据进行统计分析，发现隧道施工过程中围岩变形特性，得到围岩变形稳定时拱顶沉降值和周边收敛值，以此确定软弱围岩隧道CRD法施工阶段围岩稳定性评价指标，可为同类隧道施工围岩稳定性评价提供参考。

软弱围岩 CRD法 拱顶沉降 周边收敛 围岩稳定性 评价指标

在隧道工程研究领域，关于隧道围岩稳定性国内外开展了许多理论分析和试验研究。由于隧道围岩条件复杂多变，理论分析方法和试验模型很难真实表达复杂的地质条件，使得研究结果与实际相差很大。如何确定准确可靠的围岩稳定性评价指标，是隧道工程研究应重点考虑的问题［1-4］。

本文以内蒙古新建铁路巴准线上的十几座隧道工程为背景，通过监控量测获取隧道围岩位移发展变化信息，然后对监测数据进行统计分析，从而确定出相应的围岩稳定性评价指标。隧道围岩位移是围岩变化最直观的外在反映，支护系统的破坏或围岩的坍塌都是位移发展超过某一限度的结果。因此本文提出的以围岩位移变化信息为基础的评价指标可以用来评价隧道围岩的稳定状态，判断围岩动态发展趋势，及时发现施工过程中存在的安全隐患，为选择合适的施工方案和优化措施提供科学依据。这可提高施工效率，实现隧道“动态设计、动态施工”的科学管理机制。

巴准线隧道围岩主要为砂岩夹泥岩，上覆黄土覆盖层，强风化和弱风化，岩质软弱，节理裂隙发育，完整性较差，以Ⅴ级围岩为主，部分地段为Ⅵ级围岩，均采用CRD法施工。现行的《铁路隧道设计规范》提出了隧道初期支护极限相对位移参考值，仅适用于按照特定参数设计的复合式衬砌的支护，对于软弱围岩CRD法施工初期支护极限位移值没有给出明确规定。因此本文所提出的围岩稳定性评价指标主要针对软弱围岩中CRD法施工而提出，并用来评价其施工过程中围岩的稳定性。

1 监控量测项目

隧道施工中拱顶沉降和周边收敛监测是监控量测的必测项目。本文通过大量拱顶沉降和周边收敛监测数据确定围岩稳定性评价指标［5-6］。

1)拱顶沉降

拱顶沉降是隧道拱顶相对于洞外某不动基准点的绝对沉降位移值。在拱顶测点粘贴反光片，用全站仪非接触测量测点高程和绝对沉降值，测点布置如图1所示。在隧道轴线方向每3～5 m布置1个断面，每个断面2个测点，按照《铁路隧道监控量测技术规程》确定监测频率。监测频率应根据现场监测结果作适当调整，特别是在工序转化阶段，但不应低于规范的要求。

图1 监测断面布置示意

2)周边收敛

周边收敛是隧道内壁两点之间的相对位移，与拱顶沉降布置在同一断面。每个断面分别在拱腰和墙腰埋设测点和反光片，全站仪非接触量测方法进行对边测量，得到测线长度和收敛变化值(参见图1)。量测频率与拱顶沉降一致。

2 围岩稳定性评价指标的确定

首先，收集到巴准线海子塔隧道、后碾房隧道、保佬兔沟隧道以及潘家圪塄隧道等十几座隧道251个拱顶沉降监测断面和272个周边收敛监测断面数据。其次，应用Matlab程序对测量数据进行正态分布函数拟合，得到监测位移值在正态分布下的区间概率，进而得到围岩的变形稳定值均值，即围岩变形达到稳定阶段的累计位移值，以此作为围岩稳定性评价的控制位移。最后，分析典型断面的围岩位移变化特性，提出以位移变化速率和加速度为控制标准的围岩稳定性评价指标［7-11］。

2.1 位移评价指标

1)拱顶沉降

围岩拱顶沉降统计结果见图2，利用MatLab对监测数据进行正态分布函数拟合，得到拱顶沉降概率直方图，见图3。

图2 围岩拱顶沉降统计

图3 拱顶沉降概率直方图

2)周边收敛

围岩周边收敛统计结果见图4。周边收敛概率直方图见图5。

3)评价指标

通过正态分布函数拟合得到围岩拱顶沉降与周边收敛的正态分布拟合函数如表1所示，其中μ为稳定变形数据的均值，σ为稳定变形数据的标准差。

基于围岩位移监测数据的统计分析，将软弱围岩隧道CRD法施工围岩稳定性评价指标进行量化，以正态分布函数拟合得到的μ，σ确定拱顶沉降和周边收敛的控制位移值指标，如表2所示。

图5 周边收敛概率直方图

表1 隧道拱顶沉降与周边收敛正态分布拟合函数

表2 Ⅴ级围岩隧道CRD法施工稳定性评价位移建议值

2.2 速率和加速度评价指标

1)拱顶沉降

通过对巴准线上十几座隧道监控量测数据统计发现，大部分断面最大日均拱顶沉降接近10.0 mm/d，最大日均周边收敛接近5.0 mm/d。当采用CRD法进行隧道施工时，所有断面拱顶沉降和周边收敛具有相似的位移变化特性。本文选取后碾房梁隧道Ⅴ级围岩DK122+311断面拱顶沉降进行位移特性分析，其拱顶累计沉降、拱顶沉降速率和拱顶沉降加速度曲线如图6所示。

图6 DK122+311断面拱顶沉降监测结果

DK122+311断面拱顶累计沉降监测时间为47 d，累计沉降值为175.9 mm。由图6可知，在监测点埋设的前一周，沉降变化较大，第4 d沉降速率达到9.9 mm/d，第2 d沉降加速度达到9.4 mm/d2。该阶段的沉降主要由上部导洞开挖后围岩应力释放引起。接下来几天沉降逐渐变缓，到第15 d左右沉降出现较大幅度的增长，沉降速率达到9.7 mm/d，沉降加速度达到7.1 mm/d2。该阶段的沉降变化主要由中部导洞开挖引起。到第30 d左右，沉降又一次出现较大幅度的增长，沉降速率8.4 mm/d，沉降加速度达到5.7 mm/d2，该阶段的沉降变化主要由下部导洞和仰拱开挖引起。第40 d之后，沉降变化很小，日均沉降速率在0.1 mm/d左右，围岩基本稳定。拱顶沉降特征参数见表3。

表3 后碾房梁隧道DK122+311断面拱顶沉降特征参数

2)周边收敛

选取后碾房梁隧道DK122+295断面周边收敛进行位移特性分析，其累计收敛、收敛速率和收敛加速度曲线见图7。

图7 DK122+295断面周边收敛监测结果

DK122+295断面拱腰和墙腰周边收敛累计监测时间分别为42 d和39 d，拱腰周边收敛累计值比墙腰大，收敛累计值分别为71.40 mm和20.26 mm。上部导洞开挖后，布设拱腰周边收敛监测点，监测点布设后的第4 d收敛速率和加速度分别达到4.5 mm/d和2.1 mm/d2。中部导洞开挖后，在拱腰监测点布设后第18 d，墙腰监测点布设第3 d，拱腰和墙腰收敛速率分别达到4.9 mm/d和3.3 mm/d，收敛加速度分别达到3.9 mm/d2和2.21 mm/d2。下部导洞和仰拱开挖阶段，在拱腰监测点布设第29 d和墙腰监测点布设第12 d，拱腰和墙腰收敛速率分别达到4.7 mm/d和3.6 mm/d，收敛加速度分别为3.4 mm/d2和2.7 mm/d2。之后累计收敛曲线趋于平缓，收敛速率变小，围岩基本稳定。周边收敛特征参数见表4。

3)评价指标

由上述分析可知，软弱围岩隧道CRD法施工过程中所有断面的最大位移速率均比较接近。当围岩位移速率在该最大速率之内时，隧道施工是安全的，没有发生围岩失稳破坏。基于此，提出以软弱围岩隧道CRD法施工过程中拱顶沉降和周边收敛的最大速率为控制标准的速率评价指标。当围岩位移超过该控制速率时应引起重视，加强施工监控或采取有效的加固措施。评价指标见表5。

表4 后碾房梁隧道DK122+295断面周边收敛特征参数

表5 Ⅴ级隧道围岩稳定性评价变形速率建议值

加速度是反应速度变化的物理量，在隧道开挖过程中，当沉降速率和收敛速率呈增大趋势时，加速度为正值，且其增大趋势越明显，加速度绝对值越大;当沉降速率和收敛速率呈减小趋势时，加速度为负值，且其减小趋势越明显，加速度绝对值越大。围岩位移加速度评价指标如下:

1)当位移速率不断上升时，d2s/dt2＞0，若位移速率较大并逐渐趋近速率评价指标值，表示围岩进入失稳状态。

2)当位移速率基本保持不变时，d2s/dt2≈0，若位移速率远小于速率评价指标值，说明围岩状况稳定;若位移速率接近或等于速率评价指标值，说明围岩状况趋于不稳定;若位移速率大于速率评价指标值，说明围岩极不稳定，进入危险状态。

3)当位移速率不断减小时，d2s/dt2＜0，若位移速率未超过速率评价指标值，说明围岩逐渐趋于稳定。

3 结论

1)提出软弱围岩隧道CRD法施工以拱顶沉降和周边收敛的位移值、位移速率为指标的隧道围岩稳定性评价指标。用该评价指标作为控制标准，当隧道施工过程中拱顶沉降和周边收敛的累计值或速率超过该控制标准，预示着围岩处于失稳状态，应引起重视，需要采取有效措施来控制围岩变形。

2)提出软弱围岩隧道CRD法施工以拱顶沉降和周边收敛的位移加速度为指标的隧道围岩稳定性评价指标，以位移加速度为参考，结合位移和速度指标值评价围岩的稳定性，为围岩稳定性评价提供可靠的判据。

3)通过提出的围岩稳定性评价指标，实时掌握围岩变形信息，不但保证了隧道施工的质量与安全，建立了隧道“动态设计、动态施工”的科学管理机制，还能为二次衬砌的合理施作时间提供有效的参考依据。

［1］孙钧．岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展［J］．岩石力学与工程学报，2007，26(6):1081-1106．

［2］YAMAGUCHI I，YAMAZAKII，KIRITANIY．Studyof Ground-tunnel Interactions of Four Shield Tunnels Driven in Close Proximity，in Relation to Design and Construction of Parallel Shield Tunnel［J］．Tunneling and Underground Space Technology，1998，13(3):289-304．

［3］中华人民共和国铁道部．TZ 204—2008铁路隧道工程施工技术指南［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

［4］中华人民共和国铁道部．TB 10121—2007铁路隧道监控量测技术规程［S］．北京:中国铁道出版社，2012．

［5］朱永全．隧道稳定性位移判别准则［J］．中国铁道科学，2001，22(6):80-83．

［6］朱永全，张素敏，景诗庭．隧道稳定性位移判别的概念和划分［J］．河北省科学院学报，1996，13(3):208-210．

［7］中华人民共和国交通部．JTG/T F60—2009公路隧道施工技术细则［S］．北京:人民交通出版社，2009．

［8］刘刚．围岩稳定性评价方法综述［C］//第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集．北京:科学出版社，2006:210-216．

［9］陈先国．隧道结构失稳及判据研究［D］．成都:西南交通大学，2005．

［10］王思敬，杨志法，刘竹华，等．地下工程岩体稳定性分析［M］．北京:科学出版社，1984:109-180．

［11］王毅才．隧道工程［M］．北京:人民交通出版社，2000:90-110．

(责任审编李付军)

U455.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．18

1003-1995(2015)04-0066-04

2014-09-25;

2014-11-20

张涛(1972—)，女，山东荣城人，高级工程师，硕士。