隧洞工程围岩稳定监测预警值设定探究

姚新刚,刘加进,田迎春,徐 全

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

地下隧洞工程支护设计一般先通过工程类比初拟支护措施，再通过适当的理论计算加以验证。但实际地质条件与理论计算假定和类比工程地质情况存在差异，因此在地下工程开挖支护过程中，需辅以现场监控法来验证支护措施的合理性，并根据监测数据对支护结构进行动态调整以保证地下工程的稳定性[1～8]。为评估支护结构的安全、合理性，进而判断隧洞工程的稳定性，一般通过监测围岩变形、锚杆(索)应力以及喷层裂缝开展情况，并对这些监测值设置预警值来实现。本文首先总结了国内外对于围岩变形、锚杆(索)应力的预警值相关规定，并分析其不足，进而提出相应的改进措施。

1 国内外对变形、应力预警值的规定

(1)变形预警值

表1—4归纳了国内相关规范对于允许变形量和允许变形速率的相关规定。结合隧洞稳定标准以及二次支护实施时机，提出了变形预警值概念，国内规范对于变形预警值的规定(见表5)。国内规范通过总结大量地下工程实测变形监测数据，形成了不同埋深下针对不同围岩类别的经验允许位移相对值，以及允许变形速率。并通过设置70%～90%的允许位移相对值为预警值，设置允许变形速率为预警值，建立了隧洞稳定和加强支护、观测两档预警水平。《隧道施工技术细则》(JTG/T F60—2009)提供了二级预警值，建立了三档预警水平。

国外规范对于变形预警值的规定较为少见，英国隧洞协会及土木工程师协会在《Tunnel Ling Design Guide》(2004年)[9]中收录了日本学者SAKURAI(1997年)[10]的有关研究成果，通过关键应变的概念定义了不同岩石强度下围岩的允许变形范围，建立了四档预警水平，详见图1和表6所示。

图1 隧洞稳定变形预警值

表1 国内规范对允许变形量和变形速率的规定

《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》(DL/T5099—2011)，地下洞室周边允许位移相对值(见表2)。周边位移相对值指两测点间实测位移累计值与两测点间距离之比，两测点间相对位移也称收敛值。《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086—2015)，隧洞、洞室周边允许相对收敛值(见表3)。洞周相对收敛量是指两测点间实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比。《水工隧洞设计规范》(DL/T5195—2004)，洞周允许相对收敛量(见表4)。表中允许位移值用相对值表示，指两点间实测位移累计值与两测点间距离之比。

(2)锚杆(索)应力预警值

国内规范对于锚杆(索)应力预警值相关规定(见表4)，可见《隧道施工技术细则》比《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》更能提前预警锚杆受力，给组织加强支护预留时间。国外规范对于应力预警值的规定较为少见。

表2 地下洞室周边允许位移相对值(DL/T5099—2011)

表3 地下洞室周边允许相对收敛值

表4 洞周允许相对收敛量

表5 国内规范对于施工过程中变形预警值的规定

表6 允许径向变形 (隧洞半径5.0 m) cm

表7 国内规范对锚杆(索)应力预警值的规定

2 对现行规范预警值规定的分析

监测在地下工程施工期间相当于工程师的眼睛，一方面可以直观地判断隧洞稳定性，检验支护设计的合理性，另一方面可以指导施工，提高施工安全度。监测预警值设置是否合理对于施工进度和施工安全影响很大。预警值过低，容易引起经常性停工以加强报警区域的围岩支护，进而造成进度滞后；预警值过高，容易引起报警滞后，隧洞安全裕度过小，从而造成施工安全问题。而留给现场加强支护处理的时间过短，甚至因为来不及加强支护，导致隧洞出现安全问题。为保证隧洞稳定性，需要更有效的加强支护措施。

笔者认为现行国内规范在两个方面有待改进，一是允许变形值准确性不够。虽然考虑了埋深和围岩级别，并提出了高跨比适用条件，但不同隧洞的尺寸、地应力水平和岩石本身特点千差万别，规范建议的允许变形值难以准确反映具体隧洞的情况，仅能作为一般性参考值。二是监测预警的档位不够。绝大部分规范仅有两档预警，一档认为隧洞稳定，不需要加强支护，另一档认为需要加强支护。当认为需要加强支护时，理论上隧洞已经处于不稳定的状态。这样的设置没有预留足够工程研究的时间，反应过慢易引起隧洞稳定问题。

3 监测预警值设置研究

3.1 变形预警值

针对现行国内规范在允许变形值和监测预警档位方面的问题，笔者在某中东抽蓄工程提出如下解决方法，已经通过业主和德国工程师的审查，详述如下。

(1)通过数值计算，对不同岩性、不同围岩级别以及不同埋深的隧洞断面进行组合，提出各自的监测预警值。中东抽蓄位于层状的火成岩内，发育有三种不同岩性，各自的单轴抗压强度和变形模量差别很大，因此需要在计算监测预警值时加以区分。对于同一种岩性，埋深的选取以50 m为一档。

(2)尽量优化隧洞施工和监测仪器安装时机，保证计算所得监测预警值与实际监测数据获取情况匹配。需模拟隧洞开挖和支护步序，并定义隧洞掌子面与监测仪器的安装间距。

(3)应考虑对隧洞开挖轮廓外一定深度围岩参数的折减。由于爆破扰动、开挖卸荷等因素影响，隧洞洞周的围岩将受到扰动引起参数降低。

(4)变形允许值为安装监测仪器开始到隧洞稳定期间的变形计算值。

(5)一般地围岩参数为范围值，取参数平均值计算所得变形值为变形允许值1，取参数下限值计算所得变形值为变形允许值2。由于参数平均值能代表大部分实际岩体参数，因此变形允许值1可以作为评判隧洞稳定的标准。而参数下限值对应少部分岩体参数，因此变形允许值2可以作为实施特别支护的标准。

(6)考虑岩石条件和数值模拟的不确定性，并为工程师研究处理措施、进行施工组织预留时间，将变形允许值折减85%作为预警值。

(7)根据变形预警值1和2建立三档预警机制。当监测变形小于变形预警值1，则认为隧洞稳定，可以正常施工；监测变形大于变形预警值1，但小于变形预警值2时，应加强观测并分析原因，适当采用锚喷等轻型加强支护措施；当监测变形大于与变形预警值2时，应进一步加强观测和分析原因，并考虑实施钢拱架等重型支护。

3.2 锚杆应力预警值

(1)根据经验，应力预警值1可以取70%的锚杆应力设计值，应力预警值2取锚杆应力设计值。

(2)如果有围岩稳定数值计算作为基础，应力预警值1可以取85%的计算值与70%的锚杆应力设计值的较小值，应力预警值2取锚杆应力设计值。

(3)根据应力预警值1和2建立三档预警机制。当监测应力小于应力预警值1，则认为锚杆受力在安全范围内；监测应力大于应力预警值1，但小于应力预警值2时，应加强观测并分析原因；当监测应力大于与应力预警值2时，应进一步加强观测和分析原因，并考虑实施加强支护措施。

4 工程案例应用

4.1 工程案例1——进厂交通洞与1#支洞交叉口

如图2所示，进厂交通洞与1#支洞交叉口周边隧洞立体交叉多，且受主变洞、尾调井大洞室开挖影响时间长，因此该交叉口的稳定性需特别重视。如图3所示，进厂交通洞在2019年3月初开挖完成后变形逐渐趋缓，但在周边1#支洞、3#～5#支洞和主变洞开挖影响下，变形持续增大。2019年12月1日在交叉口边墙发现喷层裂缝，之后变形监测值在2020年1月初突破预警值2，触发加强支护的条件。据此对边墙加密系统锚杆并挂网补喷，在2020年1月底施工完成。根据国内规范表1所示，允许收敛变形量为7.85 m跨度的0.40%～1.20%(III类围岩，埋深400 m)，即对于一侧边墙为15.6～46.8 mm。按照国内规范，下游边墙变形速率小于0.1 mm/d，且变形值在允许收敛变形范围内，无需进行预警或加强支护，存在一定的安全隐患。

4.2 工程案例2——主变洞下游边墙

如图4所示，主变洞下游边墙在2020年3月后变形逐渐趋于0，但在周边及底部多条隧洞开挖影响下，于2020年4月变形速率开始增大为0.03～0.04 mm/d，且变形一直持续。根据国内规范表1所示，允许收敛变形量为15.5 m跨度的0.40%～1.20%(III类围岩，埋深400 m)，即对于一侧边墙为31～93 mm。按照国内规范，下游边墙变形速率小于0.1 mm/d，且变形值在允许收敛变形范围内，无需进行预警并加强支护。

但在2020年8月16日下游边墙拱肩发现喷层裂缝(见图5)，且变形监测值在2020年9月初突破预警值2，触发加强支护的条件，工程师据此对边墙加密系统锚杆，并在2020年9月底施工完成。

图2 进厂交通洞与1#支洞交叉口部位隧洞立体交叉

图3 进厂交通洞与1#支洞交叉口隧洞收敛监测曲线

图4 主变洞下游边墙多点变位计变形-时间关系曲线

图5 主变洞下游边墙拱肩喷层裂缝

5 结 论

国内规范根据大量的隧洞监测数据经验性地提出了允许位移相对值以及允许变形速率，建立了两档预警水平。国外规范通过关键应变的概念定义了不同岩石强度下围岩的允许变形范围，建立了四档预警水平。现行规范的允许变形值为统计值，难以准确反映隧洞具体的情况，仅能作为一般性参考值。建议在数值计算中考虑埋深、岩性和围岩级别的不同组合，模拟开挖支护步序，优化监测仪器安装时机，计算得到变形允许值，并折减85%作为预警值，建立三档预警水平。最后，隧洞的稳定性评价一般应综合变形监测值、变形速率、锚杆应力及应力增长速率等进行综合判断，同时还应重视观察喷层的裂缝开展情况，从而更客观、全面的评估隧洞稳定性。