大断面隧道监控量测与稳定性分析

裴巧玲

西安建筑科技大学华清学院,陕西西安710043

“控制爆破、锚喷支护、监控量测”并称为新奥法的三大支柱。其中的监控量测是获取隧道“动态施工信息”的重要手段，通过监控量测，可以实时监控施工过程中围岩体的力学信息，以此判别围岩和支护结构的稳定状态、确定开挖方案的可行性及支护设计参数的合理性，不仅为隧道信息化动态施工管理提供第一手信息，还将推动隧道结构设计理论的完善和发展。文章以某高铁隧道为背景，搜集现场监控量测数据，借助Origin软件对监测数据分析整理，以期找出该隧道围岩支护结构的变形特征和规律，为后续确定开挖方案、选取数值分析参数提供一些参考[1-3]。

1 工程概况

该隧道位于青海省西宁市大通县和门源县交界处，全长14.945 km，最大埋深1085.5 m，最大断面达110 m2。隧道穿越大阪山脉的主脊，自然坡度较陡，最大坡度达20°～40°，山脉多处为基岩峭壁，“V”型侵蚀谷分布较密集，且沟谷内常有积水汇集，沿线分布有数十条断层破碎带，总长达5000 m。因而，如何及时有效地控制大断面隧道支护结构的变形、准确地对大断面隧道支护结构的稳定性做出评价，进而制定出经济合理施工方案。为此，笔者搜集该隧道监测数据，借助Origin软件和回归函数，分析围岩和支护结构变形曲线变化趋势，归纳围岩体的变形特征和规律，预测围岩体沉降变形的最终值，为确定正确的开挖方案提供参考。

2 监控量测实施方案

2.1 监控量测内容与频率

结合技术规范和该隧道的工程地质情况，确定了地质和支护状况观察、拱顶下沉、周边位移量测和地表下沉量测（Ⅳ级围岩洞口和浅埋地段）四个主要测项目。各项目监测频率如表1所示[4]。

表1 监测频率Table 1 Frequencies of monitoring

2.2 测点与测线布置

该隧道洞口段处于浅埋区、岩体风化作用强烈，自稳能力较差，按照每隔10 m设置一个监测断面。洞身深埋段按照间隔20 m设置一个监测断面。该项目监测断面中采用台阶法施工，布置3个拱顶沉降点、4条周边位移监测线（如图1所示）。

图1 测点、测线布局Fig.1 Layout of points and line in tunnel

3 监测数据稳定性分析

3.1 洞内状态观察

该项目以DK265+320为监测断面，此处地层揭露为闪长岩，矿物以长石、角闪石、石英等为主，岩质较坚硬，节理较发育，弱富水，呈块状构造，分布有约200 m宽的角砾岩为主构成的破碎带，胶结性较差。初步判定围岩为Ⅲ级，拟定台阶法开挖[5,6]。

3.2 拱顶沉降变形曲线分析

DK265+320断面处拱顶左、中、右三个测点沉降情况如图2所示，整个曲线呈“抛物线”型。从图3所示中间测点的拱顶沉降曲线得知，该测点在埋设后10 d时间内，曲线呈快速增长，沉降速度基本在5.00 mm/d以上浮动，平均速度达8.28 mm/d。15 d以后沉降速度逐渐衰减，速度降至在1.00 mm/d以下，曲线趋于平缓。22 d以后开始下半断面开挖，拱顶沉降有一个突变增加至2.87 mm/d，继而又迅速下降，在下半断面开挖20 d后，沉降速度明显减小，曲线逐渐平缓。沉降速度降至0.1 mm/d。此时沉降值有一定增加，说明下台阶开挖时，由于初期支护对拱部围岩的约束和保护作用，使得下台阶开挖作业对拱顶沉降干扰较小，在68 d时拱顶沉降值达到145.68 mm.

图2 DK265+320断面拱顶沉降曲线图Fig.2 The vault settlement curves of DK265+320 section

图3 DK265+320断面拱顶沉降曲线图Fig.3 The vault settlement curves of DK265+320 section

图4 DK265+320断面拱顶沉降变形速率曲线图Fig.4 The vault settlement deformation rate curves of DK265+320 section

3.2 周边位移收敛变形曲线分析

从图5周边位移曲线得知，AA测线、BB测线变形曲线均呈“似抛物线”型。上半断面开挖后前7 d曲线快速增长，收敛速度均在4.00 mm/d以上，平均速度达5.54 mm/d。7 d以后曲线收敛速度逐渐衰减，收敛速度降至1.00 mm/d以下，曲线呈下降趋势，说明上半断面施作的初期支护已开始约束围岩的收敛变形，围岩自身承载力开始发挥作用。21 d以后位移收敛速率0.61 mm/d，说明初期支护对拱部围岩变形的约束已发挥作用，周边位移已慢慢稳定。

图5 DK265+320断面周边水平位移曲线图Fig.5 The horizontal displacement curves surrounding DK265+320 section

图6 DK265+320断面周边水平变形速率曲线图Fig.6 The horizontal deformation rate curves surrounding DK265+320 section

21 d以后开始下半断面开挖，AA测线曲线在初始阶段水平位移有一突变，但增量仅为2.83 mm，收敛曲线形状变化极小，说明下台阶开挖的选择时机较为合理，初期支护体系以发挥其约束围岩变形的能力。在下半断面开挖后7 d，收敛速度呈现递减，曲线逐渐平缓。最后，在上半断面开挖后37 d后达到稳定状态，变形速率接近于0，位移收敛值达到63.35 mm。该断面的BB测线在下半断面开挖5 d时间内，收敛速率在1.00 mm/d以上，而后曲线慢慢逐渐趋于平缓。在32 d时位移收敛值达到9.37 mm[7]。

3.4 监控量测曲线稳定性分析

由于采集数据具有离散性特性，故需对数据进行数学回归分析，并依据函数关系对变形曲线进行拟合，以预测结构的最终沉降值。在该项目中，回归函数选用一次负指数方程。其方程为：u=ABe-kt，其中t为时间，u为t时刻回归函数，A、B、k为回归系数。现场监控数据回归分析如表2所示，并将回归曲线绘制在在图3、图4、图5中。从图中可知，回归方程的理论值曲线与实测值曲线吻合度较高，R均在95%以上，说明可以采用该方程来预测围岩、支护结构之间的变形与时间之间的关系。通过拱顶沉降、周边位移实测值与回归分析计算值进行对比分析（如表3、4），误差均在5%以下，说明用该回归方程预测拱顶沉降、周边位移值是可行的[8-10]。

表2 DK265+320断面的拱顶沉降、周边最终位移量对比分析Table 2 Comparative analysis of vault settlement and surrounding final displacement of DK265+320 section

表3 DK265+320断面拱顶沉降实测值与理论值比较Table 3 Comparison of actual settlement value and theoretical value of DK265+320 section

表4 DK265+320断面周边位移实测值与理论值比较Table 4 Comparison of actual value and theoretical value surrounding DK265+320 section

4 小结

（1）监测分析结果表明，Ⅲ级围岩采用台阶法开挖时，沉降变形曲线以“抛物线”型为主，均经历快速增长——慢速增长——趋于平缓三个阶段。从监测所得的数据来看，隧道拱顶沉降量比周边水平收敛值大，在施工中需重点监控该处拱顶沉降值，且隧道拱顶沉降和周边位移均在预留变形量范围之内，符合设计要求；

（2）从监测数据处理的结果看，拱顶下沉量实测值及周边位移实测值均略大于回归函数计算值，说明支护结构还未达到稳定要求，需要二次衬砌的确保结构的稳定性。根据拱顶沉降和周边位移的变形曲线的位移值、位移速率确定了该隧道二次衬砌的施作时间，在开挖35 d～48 d后施工较为合理；

（3）采用一次负指数函数作为回归函数，利用该函数曲线与现场监测曲线相拟合，二者吻合度较高；并运用该函数预测最大位移值与实测值进行对比，误差也较小，说明用该回归方程预测隧道的最终拱顶沉降值和周边位移是可行的。