基于监控量测的隧道围岩变形时空特性分析

■费智明

（中铁十二局集团第二工程有限公司 山西 太原030000）

基于监控量测的隧道围岩变形时空特性分析

■费智明

（中铁十二局集团第二工程有限公司 山西 太原030000）

隧道开挖导致围岩应力释放与调整，围岩变形具有明显的时空特性。通过分析围岩变形机理，结合万荣隧道现场监控量测数据，对隧道开挖后进口浅埋偏压段围岩变形的时空特性进行了分析。结果表明:隧道进口浅埋偏压段上覆围岩变形与开挖掌子面位置及移动过程具有明显的时空特性，隧道开挖后地表横向沉降呈U字型分布，且随埋深的增加累计沉降量逐渐减小。隧道围岩变形趋于稳定时，拱顶沉降和周边收敛时间特征曲线相似，并进行了回归分析。隧道围岩变形规律的分析研究对于防治工程灾害、确定支护最佳时机、调整施工工序有重要意义。

隧道工程监控量测围岩变形时空效应

1 导言

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，随着交通基础设施进一步向崇山峻岭、水域延伸，我国还将建设更多长度长、地质条件复杂、施工难度大的隧道工程。复杂的地质环境及多样的施工工法决定了隧道围岩力学特性的复杂性。目前，以监控量测、锚杆支护、喷射混凝土为关键性三要素的“新奥法”隧道施工设计理念已逐渐成熟，被广泛运用到隧道工程当中。其核心理论为充分发挥围岩的自身承载能力，在隧道围岩变形的可控范围内，掌握变形趋势及支护体系的承载情况，保证变形与支护的动态平衡稳定。近年来，基于监控量测的隧道围岩变形时空效应的研究虽然已经展开，然而鉴于隧道工程特点和地质条件的复杂多变性，这些研究成果仍滞后于隧道工程实践，没有很好地得到应用。随着隧道掌子面不断向前开挖推进，围岩约束条件也发生时间和空间的相应变化，只有将二者有机地结合起来研究才能掌握围岩变形的规律。本文根据万荣隧道进口明挖段洞口地表塌陷形成的沉降槽，先分析隧道围岩变形机理，然后结合隧道地表下沉、拱顶沉降和周边收敛的监控量测数据，分析了隧道进口浅埋偏压段围岩的变形时空效应规律，以此探讨围岩变形与掌子面距离关系的影响，以及隧道围岩变形的特点和工程原因。

2 工程概况

万荣隧道设计为为单洞双线隧道。隧道起讫里程为DK555+117～DK562+800，全长7683m，最大埋深约为90.25m。全长7683m，隧道进口～DK555+210.07段93m位于R=1200m的左偏曲线上，其余段落均位于直线上，隧道纵坡为单面上坡，坡度及坡长依次为4.9‰/333m、5.1‰/7350m。隧道地层为砂质或黏质新黄土、砂质或黏质老黄土、粉砂、细砂。不良地质为砂质新黄土、粉砂地层。地表水不发育，地下水位埋深较深。隧道Ⅳ级围岩180m，占2.34%；Ⅴ级围岩7403m，占96.36%；Ⅵ级围岩100m，占1.3%。隧道施工采用“超前地质预报、超前支护、超前加固；工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌紧跟到位；强化围岩量测”的“三超前，四到位，一加强”的技术措施，隧道设5座无轨运输斜井和进、出口明挖段。

3 隧道围岩变形时空特性分析

3.1 隧道围岩变形机理

由于隧道围岩赋存环境及自身条件的复杂性，必然使隧道围岩在受到外界荷载作用时出现复杂的受力变形，导致围岩出现不同的变形机理。

3.2 隧道围岩变形的时空效应

（1）地应力作用的无时不在，无处不有。（2）开挖掌子面围岩超前变形量和掌子面前方发生超前变形的范围是隧道开挖掌子面前方围岩先行变形的两个当量值。根据隧道围岩在开挖前、开挖后未进行支护毛洞、支护完成后三种情况下的实际变形可将隧道划分为三个区域:隧道掌子面前方的先行微小变形区域;掌子面开挖扰动的先期急剧增大变形区域及应力重分布的缓慢变形区域;已支护段的围岩稳定变形区域。根据工程现场实际状况和后期监控量测数据反演分析得出:微小变形区是指隧道开挖掌子面前方约1倍洞径范围的超前变形区域，该区域产生的原因主要是由于隧道开挖导致掌子面前方围岩出现应力释放或失水产生固结;急剧增大变形区集中在掌子面后方1到3倍洞径的区域，该区域主要是由于隧道开挖导致地层缺失引起拱顶大的沉降，总变形量的大部分在此阶段产生;缓慢变形区集中在掌子面后方3到5倍洞径区域内，由于此段围岩应力重分布完成，该区域内拱顶沉降速率逐渐减小;稳定变形区主要指掌子面后方5倍洞径以外范围，该区域在支护结构的反力支撑下围岩变形已经趋于稳定

4 隧道现场监控量测

4.1 监控量测的目的

万荣隧道进口明挖浅埋偏压段围岩以砂质新黄土的V级围岩为主，隧道开挖导致围岩变形有明显的时空效应，隧道现场监控量测是隧道施工的重要组成部分，作为不可缺少的施工工序，它不仅监测各施工段围岩动态，确保施工安全，还能根据拱顶下沉和周边收敛的变形及变形速率判断隧道围岩的应力平衡状态，指导二次衬砌的支护时机，为隧道施工变更提供现场数据。

4.2 围岩变形的时间效应分析

选取隧道断面DK555+644.5进行围岩变形分析，该断面位于进口明挖、偏压浅埋段，围岩级别为V级，稳定性差，采用三台阶法开挖。1)拱顶下沉变形规律断面DK555+644.5拱顶下沉累计量和下沉速率随时间变化曲线如图所示。由图可知，当隧道浅埋段采用三台阶开挖时，该断面围岩位移最终趋于稳定，累计沉降量为119.6mm。隧道拱顶的沉降变形根据沉降速率主要分为四个阶段:①上台阶开挖引起的急速变形阶段，持续时间约7天，累计沉降量达45.2mm，占总沉降量的37.8%;②中台阶开挖引起的快速变形阶段，该阶段持续约11天，该阶段的沉降量为39.9mm，约占总沉降量的33.4%;③下台阶开挖引起的缓慢变形阶段，该阶段持续11天，累计沉降量为34.5mm，占总沉降量的28.8%;④仰拱封闭变形稳定收敛阶段，出现在开挖30天左右，该阶段变形速率趋向于零，整个目标断面的围岩稳定状态趋向于平衡。

5 结束论

通过隧道现场观察，结合监控量测数据，对隧道进口浅埋处地表沉降、拱顶下沉、周边收敛以及围岩变形与时间、空间曲线进行分析，结合隧道地表现场破坏特征，得出以下结论:1)隧道进口浅埋偏压段的开挖对地表扰动较大，隧道开挖引起的变形范围扩展至地表，并在地表形成一个沉降槽，地表横向沉降呈正态分布规律，且随着埋深的增大地表累计沉降量逐渐减小。2)由于隧道施工速度保持在一定的速度之下，隧道围岩变形与掌子面关系曲线和围岩变形时间效应特征曲线基本相似，隧道围岩变形稳定时，拱顶和周边收敛测线基本上能同时趋于稳定。

[1]王海强,张成良,陈娱,张全全.基于监控量测的隧道围岩变形时空特性分析 [J].世界科技研究与发展,2016,04:773-777.

F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-12-132-1