公路隧道变形规律分析

汪 洋

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067)

0 引言

隧道施工过程是一个极其复杂的力学过程，由于隧道的开挖，破坏了围岩的受力平衡状态，将引起开挖断面一定范围内围岩应力的重分布和残余应力的释放。在应力重分布的影响下，围岩发生变形、形成松弛[1-2]，进而可能造成围岩碎落、崩塌甚至塌方等地质灾害，存在明显的安全隐患。监控量测是隧道施工过程中保证施工安全的有效措施之一，通过分析现场监控量测数据，可以得到围岩的变形规律，推测出围岩的稳定状态，并根据现场监测数据指导施工、优化设计并为同类工程提供参考[3]。本文根据罗八高速公路工程特点，分别选取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩典型断面的变形监测数据进行分析，得到了三种典型断面围岩的变形规律以及二衬的最佳支护时机。

1 工程概况

依托工程K56+700～K63+200段属峰丛洼地地貌，路线范围内上部主要分布第四系人工填土(Q4me)、第四系坡残积层(Q4el+dl)地层，下伏基岩为三叠系个旧组第四段(T2gd)地层。下伏基岩为灰色块状白云质灰岩夹灰岩，多呈强-中风化，节理裂隙发育，岩溶发育，岩层近乎水平，边坡稳定性较好，工程地质条件较好。K63+200～K69+798段处于侵蚀深切山地貌，路线穿越地段地形起伏较大，上部主要分布第四系坡残积层(Q4el+dl)，其下部为三叠系中统河口组(T2hb)粉、细砂岩、石英砂岩、页岩、泥岩。三叠系中统河口组(T2hb)岩性多为粉、细砂岩、页岩，斜坡上多有出露，多呈强风化，节理(风化)裂隙发育，多呈碎石状散体结构，岩质较软，易发生小规模坍滑。

2 隧道围岩监控量测

2.1 监测内容及监测频率

根据《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660-2020)(以下简称《规范》)[4]以及工程的实际情况，拱顶沉降和周边收敛均采用全站仪进行测量，测点布置如图1所示，监测频率如表1所示。

表1 各监测项目的监测频率表

图1 监测点布置示意图

2.2 监控量测结果

根据依托工程特点，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分别选取K58+200、K63+330和K68+550三个典型断面，为了便于分析，仅选择拱顶位置的沉降监测数据。3个典型断面的时态曲线如下页图2～4所示。

图2 K58+200断面时态曲线图

图3 K63+330断面时态曲线图

图4 K68+550断面时态曲线图

K58+200断面为Ⅲ级围岩，采用全断面法开挖，拱顶沉降在开挖之后0～8 d快速增加，约占总变形量的80%，然后变形速率逐渐减小，变形量趋于稳定。K63+330断面为Ⅳ级围岩，采用上下台阶法开挖，拱顶沉降主要集中在仰拱施作完成之前、开挖之后0～15 d，约占总变形量的85%，仰拱施作完成后变形速率逐渐减小，变形量趋于稳定。K68+550断面为Ⅴ级围岩，围岩整体较破碎，采用三台阶法开挖，拱顶沉降的总变形量较大，仰拱施作完成约10 d后变形速率逐渐减小，变形量趋于稳定。

通过对比三种不同围岩条件下拱顶沉降的时态曲线可以得出以下规律：(1)随着围岩等级不断变差，拱顶沉降的总变形量和变形收敛时间都逐渐增加；(2)监测断面每次岩体的开挖都会有一个明显的位移增加的阶段；(3)Ⅲ级围岩采用全断面法开挖，变形量主要集中在0～8 d，Ⅳ级围岩采用两台阶法开挖，变形在仰拱施作完成之后趋于收敛，而Ⅴ级采用三台阶法开挖，由于开挖步较多，施作仰拱的时间相对较长，因此变形趋于稳定的时间较长，在仰拱施作完成约10 d后变形趋于稳定。

3 监测数据回归分析

3.1 监控量测结果回归分析

监控量测值由于偶然误差的影响具有一定的离散性，通过对数据结果进行回归分析，能更客观地反映监测数据变化的规律和判断监测断面变化趋势[5]。

根据拱顶变形监控量测数据选择指数函数进行拟合分析，指数函数的通式如式(1)所示：

y=y0+Ae-x/t

(1)

式中：y0，A，t——回归函数拟合参数；

x——时间。

3个典型断面拱顶沉降监测数据的拟合曲线如图5～7所示。

K58+200断面的拱顶下沉的拟合函数和复相关系数分别如式(2)、式(3)所示：

y=18.61-18.35e-x/7.86

(2)

R2=0.99

(3)

K63+330断面的拱顶下沉的拟合函数和复相关系数分别如式(4)、式(5)所示：

y=59.44-57.46e-x/16.67

(4)

R2=0.98

(5)

图5 K58+200断面拟合函数曲线图

图6 K63+330断面拟合函数曲线图

图7 K68+550断面拟合函数曲线图

K68+550断面的拱顶下沉的拟合函数和复相关系数分别如式(6)、式(7)所示：

y=153.59-150.90e-x/22.27

(6)

R2=0.98

(7)

3个典型断面的拟合结果的复相关系数均>0.95，说明采用指数函数能较好地拟合拱顶下沉的规律。

3.2 二衬支护时机分析

根据工程经验和相关规范，二衬支护最佳时机一般由变形速率和极限位移确定[6]。变形位移法把围岩的变形速率小于一定值后作为二衬的合理支护时机。《规范》中规定：变形位移速率<0.2 mm/d。极限位移则首先根据围岩的监测数据预测围岩的最终变形量确定，目前一般取二衬最佳时机为已产生的各项位移达到各项位移预计总量的80%～90%时[7]。结合隧道现场监测情况，选取围岩最终变形量的80%作为二衬最佳支护时机，3个典型断面的最佳支护时机如表2所示。

表2 典型断面二衬最佳支护时机表

4 结语

本文通过分析依托工程3个典型监测断面围岩变形现场监测数据，得到了不同围岩级别条件下围岩的变形规律和二衬支护时机，主要结论如下：

(1)围岩等级越差，围岩的变形越大，变形趋于稳定的时间越长，Ⅲ级围岩开挖之后约8 d变形趋于稳定，Ⅳ级围岩在仰拱施作完成之后变形趋于稳定，Ⅴ级围岩在施作仰拱约10 d左右趋于稳定。

(2)采用指数函数对三个典型断面的变形监测数据进行拟合，得到了时间-位移函数。

(3)通过拟合函数并结合相关规范得到了三种典型断面的二衬最佳支护时机，Ⅲ级围岩建议为开挖之后13 d，Ⅳ级围岩建议为开挖之后27 d，Ⅴ级围岩建议为开挖之后36 d。