基于相对高差法分析隧道围岩变形规律

摘要：文章采用相对高差法来监控隧道因施工扰动产生的岩体变形，通过对隧道施工过程中隧道围岩变形监测，分析拱顶沉降突变、周边收敛等现象，发现隧道在破坏前围岩的变形规律，可知在隧道开挖后15天内需进行重点监测，发生围岩沉降突变的断面进行加固，对隧道围岩变形的监测和安全施工具有参考意义。

关键词：拱顶沉降；周边收敛；变形；监测

中图分类号：TU00文献标识码：A

公路隧道在保证道路畅通和方便人们出行方面起着非常重要的作用，隧道的安全施工与健康运营直接关系到人们的出行安全和社会的经济效益。由于隧道在修建运营过程中常常会面临围岩变形、周边收敛、应力过大、拱顶沉降及土体塌方等很多不确定的危险工况，传统的人工检测已经不能满足工程监测需要，建立完善的公路隧道安全监测系统已成为研究热点，预测并能找到主要预防的时间点将对安全施工具有重要的意义。[1]隧道施工对围岩产生扰动和变形，有扰动就会有变形，变形过大发生坍塌，通过围岩变形规律对提出早期防护措施有重要意义。传统的隧道施工拱顶沉降监测采用精密水准仪悬挂钢尺法和全站仪法，此外还有强大的激光传感技术进行监测，[3]

1工程概况

某县某隧道线路近南北走向下穿山体，隧道采用分离式设计，其中左线进口里程ZK234+610，出口里程ZK237+400，全长2790m；右线进口里程K234+570，出口里程K237+418，全长2848m。洞身最大埋深约286.9m。隧道沿线为低中山地貌，进口位于西京村南侧，洮河北岸的山体，地形呈马鞍形，地面高程2337～2660m，最大高差323m，山坡坡度一般20～25°，局部可达40°，山体植被少，大部分被开垦为药材种植地。

2监测方案

全站仪，即全站型电子测距仪（ElectronicTotalStation），是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。在观测过程中，使用南方测绘的NTS362R4安全激光全站仪，可以进行坐标、悬高、角度、对边测量，以及后方交会、角度偏心、距离偏心、平面偏心等参数。[5]

图1全站仪与测点布设示意图

Fig.1Schematiclayoutoftotalstationandmeasuringpoint

三角高程测量是通过观测两点间的水平距离和高度角求定两点间的高差的方法，它观测方法简单，不受地形条件限制，是测定大地控制点高程的基本方法。利用全站仪观测隧道拱顶沉降的原理如图1所示，图中F点为待测沉降点反光片的位置，J点为隧道基准面埋设的固定基点，Q点为全站仪放置的位置，在施工的过程中每隔911米在隧道拱顶埋设一个反光片的预测装置，反光片中心距离测点的垂直距离为V2，固定基准点J由安装在隧道底部埋设的铁钉构成，可以同时埋设多个基准点进行对拱顶沉降进行校核，测量期间定期根据隧道内部的工作基点高程进行校核，测量时在工作基点J上放置棱镜，棱镜反射点中心点距基准地面的距离为V1，每次测量时全站仪采取位置相对固定的自由设站法，在有预设标志的位置架设仪器。在进行测量时由全站仪测出仪器至J点的距离S1及垂直角α1，仪器至F点的距离S2及垂直角α2，并以此计算出J点及F点发射装置的相对高程△h1及△h2，并以此计算出测点F相对于固定基点J的相对高差△hAB，以及F点的高程Hb。

Δhab=Δh2+V2-Δh1+V1（1）

HB=HA+ΔhAB（2）

测量实施过程中F点为固定反射装置，故V2在每次测量时都是为定值。在每次测量时都采用同一棱镜放置在J点，因此V1也为定值。根据式（1）及式（2），F点的高程相对于初次测量值的变化即拱顶沉降△h为

Δh=Δh02-Δh01-Δhi2-Δhi1+ΔHA（3）

ΔHA=hiA-H0A（4）

式中：Δh02、Δh01分别为初次测量时A及B点相对仪器的高差；Δhi2、Δhi1分别为第i次测量时A和B点相对仪器的高差；ΔHA为固定基点的高程变化，根据定期高程校核的结果得出。由此可以看出，F点的高程变化的测量精度与仪器架设高度及棱镜高度无关，而只与仪器的测距及测距误差相关。在进行拱顶数据观测时，测量点F是将棱镜置于固定基准点之上，由于每次都采用同一固定基点，因此测量结果也与棱镜高度无关。[5]

3数据分析

从2017年7月30日到2017年8月13日起在隧道内部布设三个反光片，在控制断面每天进行一次测量记录数据，选取四个控制断面进行说明，四个控制断面同时开始测量，测量的内容包括隧道的拱顶沉降和周边收敛。其中ZK235+067和YK234+988每天进行测量一次，一共测量15次，直到隧道二衬混凝土浇筑掩埋后结束测量；其中ZK235+092和YK234+952为测量15天后，继续进行监测，每隔一天测量一次，监控隧道随后的沉降的变化。

从表格分析可得：选取拱顶沉降G1点和周边收敛BC分析观测期间的累计值，在开挖后的15天之内YK234+988的累计沉降值为236.0mm，超出设计允许沉降值的一半，开挖后15天之后的测量累计值大幅度的减小，15天的累计值都不超过3mm，由此可得拱顶沉降在开挖后的一段时间将会发生大的变化，然后趋于稳定，周边收敛同拱顶沉降。

为了直观的比较数据的变化情况，利用前一天与当天的测量数据的差值来表示，[2]从ZK235+067和YK234+988曲线图上可以看到，在隧道刚开挖的12天时沉降（反弹）变化特别明显，然后进入一个平稳的变化期，经过910天时将会又一次出现沉降量的

突然变化，这个时候隧道内的应力重新分布完成，这两个时刻点在隧道开挖的过程中是要特别注意防护，是容易发生施工安全事故的时间节点。从ZK235+092和YK234+952曲线图上可以发现，经过两次突变以后，隧道应力达到自我平衡，安全事故的出现的频率会很大程度的减少。

4结论与建议

本文通过利用相对高差法对拱顶沉降和周边收敛的数据分析，可得隧道围岩变形规律的以下初步结论：

（1）隧道在开挖后由于扰动会产生很大的围岩变形，然后进入一个稳定期，过程中不断积累变形能量，积累到一定的程度会产生达到第二次形变，两次的围岩变形要经历一个时间段。（2）由观测的数据可知，该隧道围岩变形主要在开挖完成后15天之内完成，在此过程中要进行重点观测，防治安全事故的发生。（3）影响第二次围岩变形的因素有围岩岩性、结构面、洞室埋深、地下水的影响等。

参考文献：

[1]苏道振，骆建军.大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测[J].岩石力学与工程学报，2016（a02）：40294039.

[2]王卫东，何晖.回归分析在隧道拱顶沉降监测中的应用[J].科技信息，2011（7）：277278.

[3]肖林萍.连拱隧道围岩变形规律研究[D].西南交通大学，2009.

[4]江涛.山区软岩大跨度隧道变形神经网络预测及其工程应用[D].同济大学，2007.

[5]刘鑫，杨洋，廖伟.浅谈全站仪在隧道拱顶沉降测量中的运用[J].西部交通科技，2014（6）：8890.

[6]WangXQ，ShiRM，CaoXL，etal.MoonMountainTunnelSurroundingRockDeformationandStability[J].ScienceTechnology&Engineering，2017.

作者簡介：齐飞（1991），男，学生，主要从道路与铁路建设设计方面研究。