隧道围岩稳定性分析和评价指标的确定

周俊磊

(武九铁路客运专线湖北有限责任公司 武汉 430034)

在隧道围岩稳定性分析方法中，基于监控量测的分析方法是隧道工程中应用最广泛的方法。通过施工过程中对隧道拱顶和墙腰进行位移监控，对监控数据进行统计分析，从而可确定出相应的围岩稳定性的评价指标[1]。由于该方法以现场实测数据为依据，且位移变化是围岩稳定状态最直观的外在反应，因此，以围岩位移变化评价隧道围岩稳定性是适用性最强、最直接可靠的方法[2-3]。

1 监控量测结果分析

隧道施工过程中，众多安全事故都是由隧道开挖引起围岩失稳而发生，围岩等级越高，产生安全事故的概率越大，经过大量监控量测数据统计发现，围岩稳定性引起的安全事故主要发生在IV级和V级围岩的隧道中。

本文基于IV级和V级围岩的拱顶沉降和周边收敛位移，利用MATLAB软件用正态分布函数对位移数据进行拟合分析，得到围岩变形稳定值的均值和区间概率，然后对典型断面位移数据进行分析，发现相应开挖工况下的位移特征，从而提出相应的评价指标和标准[4-6]。

1.1 施工工况统计

本文依托多条铁路线共20多座隧道的监控量测结果，分析隧道开挖过程围岩稳定性。所统计隧道，IV级围岩分布在埋深小于300 m的区段，围岩主要为第四系土、全风化或强风化沉积岩和变质岩，断层带和特殊构造带；V级软弱围岩隧道，主要位于稳定性较差的风积沙黄土地层及强风化的砂岩夹泥岩结构地层，多存在于隧道洞口段埋深比较浅的位置，一般埋深小于50 m。隧道施工参数见表1。

表1 隧道施工参数

拱顶下沉测点和周边收敛测点布置在同一断面上，监测频率以《铁路隧道监控量测技术规程》为基准，并根据实际现场情况和监测结果适当调整，但监测频率不应低于规范要求的标准。拱顶沉降和周边收敛测点布置见图1。

图1 拱顶沉降和周边收敛测点布置示意图

1.2 IV级围岩

1) 拱顶沉降。共统计了IV级围岩隧道共285个断面的拱顶沉降稳定值，并进行正态分布函数拟合，其分析结果见图2和图3。

隧道为IV级围岩的拱顶沉降稳定值拟合分析的正态分布函数列于表2。

图2 拱顶沉降值散点图

图3 正态分布函数图和拱顶沉降概率直方图

表2 IV级围岩隧道拱顶沉降稳定值正态分布函数

注：μ为拱顶沉降稳定值的均值;σ为标准差。

2) 周边收敛。共统计了IV级围岩隧道共263个断面的周边收敛稳定值，并进行正态分布函数拟合，其分析结果见图4和图5。

隧道为IV级围岩的周边收敛稳定值拟合分析的正态分布函数列于表3。

图4 周边收敛值散点图

图5 正态分布函数图和周边收敛概率直方图

表3 IV级围岩隧道周边收敛稳定值正态分布函数

注：μ为周边收敛稳定值的均值;σ为标准差。

根据统计分析IV级围岩隧道现场监控量测的拱顶沉降值和周边收敛值，IV级围岩隧道开挖过程中日均最大拱顶沉降值约3.0 mm,日均最大周边收敛值约2.5 mm。

1.3 V级围岩

1) 拱顶沉降。共统计了V级围岩隧道共251个断面的拱顶沉降稳定值，并进行正态分布函数拟合，其分析结果见图6和图7。

隧道为V级围岩的拱顶沉降稳定值拟合分析的正态分布函数列于表4。

图6 拱顶沉降值散点图

图7 正态分布函数图和拱顶下沉值概率直方图

表4 V级围岩隧道拱顶沉降正态分布函数

注：μ为拱顶沉降稳定值的均值;σ为标准差。

3) 周边收敛。共统计了V级围岩隧道共272个断面的周边收敛稳定值，并进行正态分布函数拟合，其分析结果见图8和图9。

隧道为V级围岩的周边收敛稳定值拟合分析的正态分布函数列于表5。

图8 周边收敛值散点图

图9 正态分布函数图和周边收敛值概率直方图

表5 级围岩隧道周边收敛正态分布函数

注：μ为周边收敛稳定值的均值;σ为标准差。

根据统计分析V级围岩隧道现场监控量测的拱顶沉降值和周边收敛值，V级围岩隧道开挖过程中日均最大拱顶沉降值约10.0 mm,日均最大周边收敛值约5.0 mm。

2 围岩稳定性评价指标的确定

基于隧道围岩位移监测数据的统计分析，可将隧道围岩稳定性评价指标进行量化，因此通过上述分析，提出包括围岩的位移和位移速率的评价指标，据此标准来判断隧道开挖围岩的稳定性。

1) 位移。围岩位移评价指标主要通过隧道监测位移(拱顶沉降和周边收敛位移)的统计值分析，并对位移数据进行正态分布拟合得到。以拱顶沉降值和周边收敛值为指标的隧道围岩稳定性评价指标见表6。

表6 隧道围岩稳定性评价指标建议值(位移累计值)

注：本表评价指标，硬质围岩取较小值，软质围岩取较大值。

我国《公路隧道设计规范》与《铁路隧道设计规范》对隧道围岩极限位移提出了以相对位移为标准的参考值，根据常见隧道的净宽和净高范围分别计算出了《公路隧道设计规范》和《铁路隧道设计规范》对极限位移的参考绝对值，与本文提出的指标建议值进行比较，见表7。

表7 规范参考值与指标建议值比较

表7中的规范参考值和本文提出的指标建议值存在一定差距，本文提出的指标建议值是基于一定的围岩和支护条件下的监控量测数据而提出的，因此指标建议值也是对规范参考值有益的补充和完善，可为同类隧道开挖过程中围岩稳定性评价提供参考依据。

2) 速率。基于上述对IV级和V级围岩隧道拱顶沉降和周边收敛位移监测数据的统计分析，确定出了各级围岩隧道在开挖过程中的变形特征，发现不同围岩隧道在开挖过程中最大位移速率不同，但是对于同一类围岩，各个断面的最大位移速率都比较接近。因此提出IV级和V级围岩隧道以最大日均速率为标准的拱顶沉降值和周边收敛值的评价指标建议值。见表8。

表8 隧道围岩稳定性评价指标建议值(位移速率)

3 结论

1) 运用数学方法统计分析隧道施工现场位移测量数据，提出了隧道开挖过程中以围岩拱顶沉降和围岩周边收敛的位移累计值和位移速率为标准的稳定性评价指标，可为隧道施工阶段围岩的稳定性评价和支护方案的优化提供参考依据。

2) 对于具有相似围岩状况和施工工况的IV级和V级围岩隧道，当位移累计值和位移速率超过本文提出的指标建议值,应立即预警,并采取相应的应对措施,防止安全事故的发生。

3) 本文提出的围岩稳定性评价指标与当前行业内规范的标准存在一定差距，但也是基于一定的围岩和支护条件下的监控量测数据而提出的，可为同类隧道开挖过程中围岩稳定性评价提供参考依据。